Halvledergitter gifter sig med elektroner og magnetiske momenter

22. marts 2023 (Nanowerk nyheder) Et modelsystem skabt ved at stable et par monolagshalvledere giver fysikere en enklere måde at studere forvirrende kvanteadfærd, fra tunge fermioner til eksotiske kvantefaseovergange. Gruppens papir udgivet i Natur ("Gate-tunerbare tunge fermioner i et Moiré Kondo gitter"). Hovedforfatteren er postdoc-stipendiat Wenjin Zhao ved Kavli-instituttet i Cornell. Projektet blev ledet af Kin Fai Mak, professor i fysik ved College of Arts and Sciences, og Jie Shan, professor i anvendt og teknisk fysik i Cornell Engineering og i A&S, avisens co-senior forfattere. Begge forskere er medlemmer af Kavli Instituttet; de kom til Cornell gennem provostens Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) initiativ. Et transmissionselektronmikroskopbillede viser moiré-gitteret af molybdænditellurid og wolframdiselenid. (Billede: Yu-Tsun Shao og David Muller) Holdet satte sig for at tage fat på det, der er kendt som Kondo-effekten, opkaldt efter den japanske teoretiske fysiker Jun Kondo. For omkring seks årtier siden opdagede eksperimentelle fysikere, at ved at tage et metal og erstatte selv et lille antal atomer med magnetiske urenheder, kunne de sprede materialets ledningselektroner og radikalt ændre dets resistivitet. Det fænomen undrede fysikere, men Kondo forklarede det med en model, der viste, hvordan ledningselektroner kan "skærme" de magnetiske urenheder, sådan at elektronspinnet parrer sig med spindet af en magnetisk urenhed i modsatte retninger og danner en singlet. Mens Kondo-urenhedsproblemet nu er godt forstået, er Kondo-gitterproblemet - et med et regulært gitter af magnetiske momenter i stedet for tilfældige magnetiske urenheder - meget mere kompliceret og fortsætter med at stumpe fysikere. Eksperimentelle undersøgelser af Kondo-gitterproblemet involverer normalt intermetalliske forbindelser af sjældne jordarters grundstoffer, men disse materialer har deres egne begrænsninger. "Når du bevæger dig helt ned til bunden af ​​det periodiske system, ender du med noget i retning af 70 elektroner i et atom," sagde Mak. ”Den elektroniske struktur i materialet bliver så kompliceret. Det er meget svært at beskrive, hvad der foregår, selv uden Kondo-interaktioner." Forskerne simulerede Kondo-gitteret ved at stable ultratynde monolag af to halvledere: molybdænditellurid, indstillet til en Mott-isolerende tilstand, og wolframdiselenid, som var dopet med omrejsende ledningselektroner. Disse materialer er meget enklere end voluminøse intermetalliske forbindelser, og de er stablet med et smart twist. Ved at rotere lagene i en 180-graders vinkel resulterer deres overlap i et moiré-gittermønster, der fanger individuelle elektroner i bittesmå spalter, svarende til æg i en æggekarton. Denne konfiguration undgår komplikationen af ​​snesevis af elektroner, der blander sig sammen i de sjældne jordarters elementer. Og i stedet for at kræve kemi for at forberede den regelmæssige række af magnetiske momenter i de intermetalliske forbindelser, behøver det forenklede Kondo-gitter kun et batteri. Når en spænding påføres helt rigtigt, ordnes materialet til at danne et gitter af spins, og når man vælger en anden spænding, slukkes spindene, hvilket producerer et kontinuerligt afstembart system. "Alt bliver meget enklere og meget mere kontrollerbart," sagde Mak. Forskerne var i stand til løbende at justere elektronmassen og tætheden af ​​spins, hvilket ikke kan gøres i et konventionelt materiale, og i processen observerede de, at elektronerne klædt med spin-gitteret kan blive 10 til 20 gange tungere end de "bare ” elektroner, afhængigt af den påførte spænding. Afstembarheden kan også inducere kvantefaseovergange, hvorved tunge elektroner bliver til lette elektroner med derimellem mulig fremkomst af en "mærkelig" metalfase, hvor den elektriske modstand stiger lineært med temperaturen. Realiseringen af ​​denne type overgang kunne være særlig nyttig til at forstå højtemperatur-superledende fænomenologi i kobberoxider. "Vores resultater kunne give et laboratoriebenchmark for teoretikere," sagde Mak. "I fysik af kondenseret stof forsøger teoretikere at håndtere det komplicerede problem med en billion interagerende elektroner. Det ville være fantastisk, hvis de ikke behøver at bekymre sig om andre komplikationer, såsom kemi og materialevidenskab, i rigtige materialer. Så de studerer ofte disse materialer med en 'sfærisk ko' Kondo-gittermodel.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php