科隆大學一個物理學家團隊首次在原子尺度上發現了電子的一種特別奇特行爲。電子通常在三維空間中幾乎是自由運動的。然而，當它們被迫只在一個維度上移動時，即在原子鏈中，它們的行爲開始變得奇怪。託莫納加-盧廷格流體理論在幾十年前就預測到了這一點。然而，在實驗室中，這一現象到目前爲止只是間接地顯示出來。

博科園：科隆大學第二物理研究所的托馬斯·米切利教授領導一個國際研究小組現在已經製造出了一維導線，使他們能夠用掃描隧道顯微鏡在一維中觀察被困電子的行爲，其研究成果發表在《物理評論X》上。米切利說：1950年日本物理學家、後來的諾貝爾獎得主朋永信一郎設想，電子在一種被壓縮到一維的金屬中會做什麼，也就是一串單原子。當電子不能再相互迴避時，隨之而來的顯著後果對我們物理學家來說尤其令人着迷。在真實的三維晶體中，它們的相互作用相當弱，因爲它們在這樣一個“開放”的系統中可以自由移動。

沃特·朱莉和克利福德·默裏在低溫掃描隧道顯微鏡儀器前，研究了形成託莫納加-盧廷格液體盒子裏的電子。圖片：Jeison Fischer

然而，在一維中，電子根本無法避免彼此，並開始強烈地相互作用。電子通常攜帶電荷和自旋，即量子力學角動量。然而，在一維中，由於它們的強相互作用，行爲不再像正常電子那樣。相反，它們分爲兩類準粒子，一類帶有自旋，另一類帶有電荷。這裏電子被更好地描述爲兩個獨立的波：自旋密度波和電荷密度波。這種現象被稱爲自旋電荷分離，是湯瑪納加-盧廷格液體理論的核心。湯瑪納加-盧廷格液體理論是以1950年首次提出湯瑪納加-盧廷格理論的湯瑪納加-盧廷格和進一步發展該理論的美國理論物理學家華金·馬茲達克·盧廷格命名。

橫貫圖像中間的直線，幾乎是水平線，顯示了在二硫化鉬(MoS2)兩個界面上形成的一維導線。這條電線大約有70個原子長。用掃描隧道顯微鏡在-268℃下記錄圖像或地形圖。(b)相同區域的掃描隧穿光譜圖顯示一維導線中存在駐波。圖片：Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely

爲了能夠第一次看到這種自旋電荷的局部分離，科隆研究人員將這種被稱爲Tomonaga-Luttinger的液體困在有限長度的金屬絲中，本質上是把它鎖在一個籠子裏。由於導線的長度有限，按照量子力學的要求，駐波具有離散的能量形式。這使得以一種深不可測的精確度來探索盧廷格和湯翁長之理論的侷限成爲可能。第二物理研究所的研究小組專門從事石墨烯和單層二硫化鉬(MoS2)等二維材料的生產和探索。他們發現，在兩個二硫化鉬島(其中一個是另一個的鏡像)的界面上，形成了一根由原子組成的金屬絲。

圖中橫貫中間的虛線表示在二硫化鉬(MoS2)兩個界面處形成的一維導線位置。這條電線大約有20個原子長。用掃描隧道顯微鏡在-268℃下記錄圖像或地形圖。(b)具有離散能量沿導線的靜止自旋和電荷密度波的光譜圖像。圖片：Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely

研究人員藉助掃描隧道顯微鏡，在-268攝氏度(5開爾文)的溫度下，能夠可視化金屬絲上的駐波及其離散能量。驚訝的是，科學家們在導線中發現了兩組駐波，而對於“正常”的獨立電子，只有一組駐波是可以預測的。解釋這一現象的關鍵來自科隆大學阿希姆·羅希(Achim Rosch)教授周圍的理論物理學家：正如Tomonaga和Luttinger半個世紀前預測的那樣，兩組駐波代表自旋密度和電荷密度波。科學家們現在正計劃更近距離地研究一維籠中電子的行爲。爲了測試Tomonaga-Luttinger液體理論的極限，要在比原來低10倍(0.3開爾文)的溫度和一個改進的“籠子”中進行新實驗。

博科園-科學科普｜研究/來自: 科隆大學

參考期刊文獻:《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011055

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