圖 1：電子自旋受電子運動（通過自旋軌道耦合）和與其他電子的相互作用（通過庫侖效應）的影響。圖片來源：Mari Ishida；RIKEN 緊急物質科學中心
在一項有助于識別奇異量子態的發現中，RIKEN 的物理學家已經看到了在高質量量子材料中影響電子行為的強烈競爭因素。
電子有一種叫做自旋的特性，可以粗略地認為她是電子繞軸旋轉。當電子移動時，她的運動和自旋可以通過一種稱為自旋軌道耦合的效應聯系起來。這種效應很有用，因為她提供了一種根據電子的自旋從外部控制電子運動的方法——這是一項名為自旋電子學的新興技術的重要能力，該技術正在尋求使用電子自旋來實現低功耗信息處理。
自旋軌道耦合是量子物理學和相對論的復雜組合，但通過設想一個圓形足球會變得更容易理解。“如果一名足球運動員踢球，她會沿直線飛行，”理化學研究所緊急物質科學中心的丹尼斯·馬連科解釋說。“但如果球員給球一些旋轉或旋轉，她的路徑就會彎曲。” 球的軌跡和她的旋轉運動是相連的。如果她的旋轉方向相反，球的路徑將向相反的方向彎曲。
與足球不同，電子也會相互相互作用：例如，兩個帶負電的粒子會相互排斥。這種相互排斥和自旋軌道相互作用相互競爭：前者可以使電子的自旋與其他電子的自旋對齊，而后者試圖將電子的自旋與其運動對齊。
“這種相互作用最近引起了很多興趣，因為她可能導致新的電子和自旋相的出現，這可能會用于未來的量子技術，” Maryenko 說。“因此，了解相互作用的基本原理很重要。” 但同時識別這兩種影響是非常困難的。
現在，Maryenko 和他的同事們已經成功地解決了這兩種影響。
他們研究了被困在兩種半導體（氧化鎂鋅和氧化鋅）之間的電子。由于系統中的原子雜質很少，因此電子之間有很強的相互作用。研究人員可以通過改變鎂含量來控制自旋軌道耦合的強度。“我們仔細研究了施加磁場時樣品電阻的變化，” Maryenko 說。通過這種方式，他們能夠同時識別簽名自旋-軌道和相互排斥，由于電子的電荷。
因此，這種高質量的材料系統代表了測試理論預測的重要資源，并為在強電子相關機制中發展自旋電子現象開辟了道路。
