科隆大学一个物理学家团队首次在原子尺度上发现了电子的一种特别奇特行为。电子通常在三维空间中几乎是自由运动的。
然而，当它们被迫只在一个维度上移动时，即在原子链中，它们的行为开始变得奇怪。托莫纳加-卢廷格流体理论在几十年前就预测到了这一点。然而，在实验室中，这一现象到目前为止只是间接地显示出来。
博科园：科隆大学第二物理研究所的托马斯·米切利教授领导一个国际研究小组现在已经制造出了一维导线，使他们能够用扫描隧道显微镜在一维中观察被困电子的行为，其研究成果发表在《物理评论X》上。米切利说：1950年日本物理学家、后来的诺贝尔奖得主朋永信一郎设想，电子在一种被压缩到一维的金属中会做什么，也就是一串单原子。当电子不能再相互回避时，随之而来的显著后果对我们物理学家来说尤其令人着迷。在真实的三维晶体中，它们的相互作用相当弱，因为它们在这样一个“开放”的系统中可以自由移动。
沃特·朱莉和克利福德·默里在低温扫描隧道显微镜仪器前，研究了形成托莫纳加-卢廷格液体盒子里的电子。图片：Jeison Fischer
然而，在一维中，电子根本无法避免彼此，并开始强烈地相互作用。电子通常携带电荷和自旋，即量子力学角动量。然而，在一维中，由于它们的强相互作用，行为不再像正常电子那样。相反，它们分为两类准粒子，一类带有自旋，另一类带有电荷。这里电子被更好地描述为两个独立的波：自旋密度波和电荷密度波。这种现象被称为自旋电荷分离，是汤玛纳加-卢廷格液体理论的核心。汤玛纳加-卢廷格液体理论是以1950年首次提出汤玛纳加-卢廷格理论的汤玛纳加-卢廷格和进一步发展该理论的美国理论物理学家华金·马兹达克·卢廷格命名。
横贯图像中间的直线，几乎是水平线，显示了在二硫化钼(MoS2)两个界面上形成的一维导线。这条电线大约有70个原子长。用扫描隧道显微镜在-268℃下记录图像或地形图。(b)相同区域的扫描隧穿光谱图显示一维导线中存在驻波。图片：Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
为了能够第一次看到这种自旋电荷的局部分离，科隆研究人员将这种被称为Tomonaga-Luttinger的液体困在有限长度的金属丝中，本质上是把它锁在一个笼子里。由于导线的长度有限，按照量子力学的要求，驻波具有离散的能量形式。这使得以一种深不可测的精确度来探索卢廷格和汤翁长之理论的局限成为可能。第二物理研究所的研究小组专门从事石墨烯和单层二硫化钼(MoS2)等二维材料的生产和探索。他们发现，在两个二硫化钼岛(其中一个是另一个的镜像)的界面上，形成了一根由原子组成的金属丝。
图中横贯中间的虚线表示在二硫化钼(MoS2)两个界面处形成的一维导线位置。这条电线大约有20个原子长。用扫描隧道显微镜在-268℃下记录图像或地形图。(b)具有离散能量沿导线的静止自旋和电荷密度波的光谱图像。图片：Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
研究人员借助扫描隧道显微镜，在-268摄氏度(5开尔文)的温度下，能够可视化金属丝上的驻波及其离散能量。惊讶的是，科学家们在导线中发现了两组驻波，而对于“正常”的独立电子，只有一组驻波是可以预测的。解释这一现象的关键来自科隆大学阿希姆·罗希(Achim Rosch)教授周围的理论物理学家：正如Tomonaga和Luttinger半个世纪前预测的那样，两组驻波代表自旋密度和电荷密度波。科学家们现在正计划更近距离地研究一维笼中电子的行为。为了测试Tomonaga-Luttinger液体理论的极限，要在比原来低10倍(0.3开尔文)的温度和一个改进的“笼子”中进行新实验。
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