Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Paul Scherrer Institute telah mengamati secara spektroskopi fraksionalisasi muatan elektronik dalam feromagnet logam berbasis besi. Pengamatan eksperimental terhadap fenomena ini tidak hanya penting secara mendasar. Karena ia muncul dalam paduan logam biasa pada suhu yang terjangkau, ia mempunyai potensi untuk dieksploitasi di masa depan dalam perangkat elektronik. Penemuan ini dipublikasikan di jurnal Alam.
Mekanika kuantum dasar memberi tahu kita bahwa satuan dasar muatan tidak dapat dipecahkan: muatan elektron terkuantisasi. Namun, kami telah memahami bahwa ada pengecualian. Dalam beberapa situasi, elektron menyusun dirinya secara kolektif seolah-olah mereka terpecah menjadi entitas independen, masing-masing memiliki sebagian kecil muatan.
Fakta bahwa muatan dapat difraksinasi bukanlah hal baru: hal ini telah diamati secara eksperimental sejak awal 1980-an dengan Fractional Quantum Hall Effect. Dalam hal ini, konduktansi suatu sistem di mana elektron dibatasi pada bidang dua dimensi diamati dikuantisasi dalam satuan muatan pecahan—bukan bilangan bulat.
Efek Hall memberikan ukuran tidak langsung dari fraksionalisasi muatan melalui manifestasi makroskopis dari fenomena: tegangan. Dengan demikian, hal ini tidak mengungkapkan perilaku mikroskopis—dinamika—muatan pecahan. Tim peneliti, yang merupakan kolaborasi antara institusi di Swiss dan Tiongkok, kini telah mengungkap dinamika tersebut melalui spektroskopi elektron yang dipancarkan dari feromagnet ketika disinari oleh laser.
Mendorong elektron ke perilaku aneh
Untuk memecah muatan, Anda perlu membawa elektron ke tempat asing di mana elektron tidak lagi mengikuti aturan normal. Pada logam konvensional, elektron biasanya bergerak melalui material, umumnya mengabaikan satu sama lain selain dari benturan sesekali. Mereka memiliki serangkaian energi yang berbeda. Tingkat energi di mana elektron berada digambarkan sebagai “pita dispersif”, di mana energi kinetik elektron bergantung pada momentumnya.
Pada beberapa material, kondisi ekstrim tertentu dapat mendorong elektron untuk mulai berinteraksi dan berperilaku kolektif. Pita datar adalah daerah dalam struktur elektronik suatu material dimana semua elektron berada pada keadaan energi yang sama, yaitu dimana elektron mempunyai massa efektif yang hampir tak terhingga. Di sini, elektron terlalu berat untuk lepas satu sama lain, dan interaksi yang kuat antar elektron terjadi.
Pita datar yang langka dan banyak dicari dapat menyebabkan fenomena termasuk bentuk magnet eksotik atau fase topologi seperti keadaan Hall kuantum pecahan.
Untuk mengamati Efek Aula Kuantum Fraksional, medan magnet yang kuat dan suhu yang sangat rendah diterapkan, yang menekan energi kinetik elektron dan mendorong interaksi kuat serta perilaku kolektif.
Tim peneliti dapat mencapai hal ini dengan cara yang berbeda, tanpa penerapan medan magnet yang kuat: dengan menciptakan struktur kisi yang mengurangi energi kinetik elektron dan memungkinkan mereka berinteraksi. Kisi semacam itu adalah tikar anyaman bambu “kagome” Jepang, yang mencirikan lapisan atom dalam jumlah senyawa kimia yang sangat besar.
Mereka membuat penemuannya di Fe3Sn2, suatu senyawa yang hanya terdiri dari unsur-unsur umum besi (Fe) dan timah (Sn) yang dirangkai menurut pola kagome segitiga berbagi sudut.
Laser ARPES memungkinkan melihat lebih dekat
Para peneliti tidak bermaksud untuk mengamati fraksionalisasi muatan di kagome Fe3Sn2. Sebaliknya, mereka hanya tertarik untuk memverifikasi apakah ada pita datar seperti yang diperkirakan untuk bahan feromagnetik ini.
Dengan menggunakan spektroskopi fotoemisi resolusi sudut laser (laser ARPES) di Universitas Jenewa dengan diameter sinar yang sangat kecil, mereka dapat menyelidiki struktur elektronik lokal material pada resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
“Struktur band di kagome Fe3Sn2 berbeda tergantung pada domain feromagnetik mana yang Anda selidiki. Kami tertarik untuk melihat apakah, dengan menggunakan sinar fokus mikro, kami dapat mendeteksi ketidakhomogenan dalam struktur elektronik yang berkorelasi dengan domain yang sebelumnya terlewatkan,” kata Sandy Ekahana, rekan pascadoktoral di Quantum. Teknologi kelompok di PSI dan penulis pertama studi ini.
Kantong elektron dan pita yang bertabrakan
Berfokus pada domain kristal tertentu, tim mengidentifikasi fitur yang dikenal sebagai kantong elektron. Ini adalah wilayah dalam ruang momentum struktur pita elektronik suatu material di mana energi elektron berada pada titik minimum, sehingga secara efektif membentuk kantong tempat elektron 'berkumpul'. Di sini, elektron berperilaku sebagai eksitasi kolektif atau kuasipartikel.
Setelah mengamatinya lebih dekat, para peneliti mendeteksi fitur-fitur aneh dalam struktur pita elektronik yang tidak sepenuhnya dijelaskan oleh teori. Pengukuran laser ARPES mengungkapkan pita dispersif, yang tidak sesuai dengan perhitungan teori fungsional kerapatan (DFT)—salah satu metode paling mapan untuk mempelajari interaksi dan perilaku elektron dalam material.
“Seringkali DFT tidak cocok. Tapi dari sudut pandang eksperimental saja, band ini sangatlah aneh. Itu sangat tajam, tapi kemudian tiba-tiba terputus. Ini tidak normal—biasanya pita-pita tersebut kontinu,” jelas Yona Soh, ilmuwan di PSI dan penulis studi tersebut.
Para peneliti menyadari bahwa mereka sedang mengamati pita dispersif yang berinteraksi dengan pita datar, yang diperkirakan ada oleh rekan-rekan dari EPFL. Pengamatan interaksi pita datar dengan pita dispersif merupakan hal yang sangat menarik: Dipercayai bahwa interaksi antara pita datar dan pita dispersi memungkinkan munculnya fase materi baru, seperti logam “marginal” di mana elektron tidak bergerak lebih jauh dari itu. panjang gelombang kuantum dan superkonduktornya yang khas.
“Ada banyak diskusi teoretis tentang interaksi antara pita datar dan pita dispersif, tetapi ini adalah pertama kalinya pita baru yang disebabkan oleh interaksi ini ditemukan secara spektroskopi,” kata Soh.
Fraksionalisasi muatan
Konsekuensi dari pengamatan ini bahkan lebih besar lagi. Saat kedua band bertemu, mereka melakukan hibridisasi untuk membuat band baru. Pita dispersif asli telah terisi. Pita datar tidak terisi karena terletak di atas tingkat Fermi—sebuah konsep yang menggambarkan batas antara tingkat energi terisi dan tidak terisi. Ketika pita baru terbentuk, muatan dibagi antara pita dispersif asli dan pita baru. Artinya setiap pita hanya berisi sebagian kecil muatan.
Dengan cara ini, pengukuran yang dilakukan Ekahana dan rekannya memberikan pengamatan spektroskopi langsung terhadap fraksionalisasi muatan.
“Mencapai dan mengamati keadaan di mana muatan difraksinasi merupakan hal yang menarik tidak hanya dari sudut pandang penelitian fundamental,” kata Gabriel Aeppli, kepala divisi ilmu foton di PSI dan profesor di EPFL dan ETH Zurich, yang mengusulkan penelitian tersebut. “Kami mengamati hal ini pada paduan logam biasa pada suhu rendah namun masih relatif terjangkau. Hal ini menjadikannya bermanfaat untuk mempertimbangkan apakah ada perangkat elektronik yang mungkin mengeksploitasi fraksionalisasi.”