Το πλέγμα ημιαγωγών συνδυάζει ηλεκτρόνια και μαγνητικές ροπές

22 Μαρτίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Ένα μοντέλο συστήματος που δημιουργήθηκε με τη στοίβαξη ενός ζεύγους ημιαγωγών μονοστοιβάδας δίνει στους φυσικούς έναν απλούστερο τρόπο να μελετήσουν την συγκεχυμένη κβαντική συμπεριφορά, από βαριά φερμιόνια έως εξωτικές μεταπτώσεις κβαντικής φάσης. Το έγγραφο της ομάδας δημοσιεύτηκε στο Φύση ("Πύλη-συντονίσιμα βαριά φερμιόνια σε πλέγμα Moiré Kondo"). Ο κύριος συγγραφέας είναι ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης Wenjin Zhao στο Ινστιτούτο Kavli στο Cornell. Το έργο ηγήθηκε από τον Kin Fai Mak, καθηγητή φυσικής στο Κολλέγιο Τεχνών και Επιστημών, και τον Jie Shan, καθηγητή εφαρμοσμένης και μηχανικής φυσικής στο Cornell Engineering και στο A&S, συν-ανώτερους συγγραφείς της εργασίας. Και οι δύο ερευνητές είναι μέλη του Ινστιτούτου Kavli. ήρθαν στο Cornell μέσω της πρωτοβουλίας Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) του καθηγητή. Μια εικόνα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης δείχνει το πλέγμα moiré του διτελλουρίου του μολυβδαινίου και του δισελενιδίου του βολφραμίου. (Εικόνα: Yu-Tsun Shao και David Muller) Η ομάδα ξεκίνησε να αντιμετωπίσει αυτό που είναι γνωστό ως φαινόμενο Kondo, που πήρε το όνομά του από τον Ιάπωνα θεωρητικό φυσικό Jun Kondo. Πριν από περίπου έξι δεκαετίες, πειραματικοί φυσικοί ανακάλυψαν ότι παίρνοντας ένα μέταλλο και αντικαθιστώντας ακόμη και έναν μικρό αριθμό ατόμων με μαγνητικές ακαθαρσίες, θα μπορούσαν να διασκορπίσουν τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του υλικού και να αλλάξουν ριζικά την ειδική αντίστασή του. Αυτό το φαινόμενο μπέρδεψε τους φυσικούς, αλλά ο Kondo το εξήγησε με ένα μοντέλο που έδειξε πώς τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας μπορούν να «εξετάσουν» τις μαγνητικές ακαθαρσίες, έτσι ώστε το σπιν του ηλεκτρονίου να ζευγαρώνει με το σπιν μιας μαγνητικής ακαθαρσίας σε αντίθετες κατευθύνσεις, σχηματίζοντας ένα μονό. Ενώ το πρόβλημα της ακαθαρσίας του Kondo είναι πλέον καλά κατανοητό, το πρόβλημα του πλέγματος Kondo – ένα με ένα κανονικό πλέγμα μαγνητικών ροπών αντί για τυχαίες μαγνητικές ακαθαρσίες – είναι πολύ πιο περίπλοκο και συνεχίζει να προκαλεί τους φυσικούς. Οι πειραματικές μελέτες του προβλήματος του πλέγματος Kondo συνήθως περιλαμβάνουν διαμεταλλικές ενώσεις στοιχείων σπάνιων γαιών, αλλά αυτά τα υλικά έχουν τους δικούς τους περιορισμούς. «Όταν κινείστε μέχρι κάτω στο κάτω μέρος του Περιοδικού Πίνακα, καταλήγετε με κάτι σαν 70 ηλεκτρόνια σε ένα άτομο», είπε ο Μακ. «Η ηλεκτρονική δομή του υλικού γίνεται τόσο περίπλοκη. Είναι πολύ δύσκολο να περιγράψεις αυτό που συμβαίνει ακόμα και χωρίς αλληλεπιδράσεις με τον Kondo.” Οι ερευνητές προσομοίωσαν το πλέγμα Kondo στοιβάζοντας εξαιρετικά λεπτές μονοστιβάδες δύο ημιαγωγών: διτελλουρίδιο του μολυβδαινίου, συντονισμένο σε κατάσταση μόνωσης Mott και δισεληνίδιο βολφραμίου, το οποίο ήταν εμποτισμένο με ηλεκτρόνια πλανόδιου αγωγιμότητας. Αυτά τα υλικά είναι πολύ πιο απλά από τις ογκώδεις διαμεταλλικές ενώσεις και στοιβάζονται με μια έξυπνη συστροφή. Περιστρέφοντας τα στρώματα σε γωνία 180 μοιρών, η επικάλυψη τους οδηγεί σε ένα μοτίβο πλέγματος moiré που παγιδεύει μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε μικροσκοπικές σχισμές, παρόμοια με τα αυγά σε ένα χαρτοκιβώτιο αυγών. Αυτή η διαμόρφωση αποφεύγει την επιπλοκή των δεκάδων ηλεκτρονίων που ανακατεύονται μεταξύ τους στα στοιχεία σπάνιων γαιών. Και αντί να απαιτείται χημεία για την προετοιμασία της κανονικής διάταξης μαγνητικών ροπών στις διαμεταλλικές ενώσεις, το απλοποιημένο πλέγμα Kondo χρειάζεται μόνο μια μπαταρία. Όταν μια τάση εφαρμόζεται σωστά, το υλικό ταξινομείται για να σχηματίσει ένα πλέγμα περιστροφών και όταν κάποιος καλεί σε διαφορετική τάση, οι περιστροφές σβήνουν, δημιουργώντας ένα συνεχώς συντονιζόμενο σύστημα. «Όλα γίνονται πολύ πιο απλά και πολύ πιο ελεγχόμενα», είπε ο Μακ. Οι ερευνητές μπόρεσαν να συντονίζουν συνεχώς τη μάζα και την πυκνότητα των ηλεκτρονίων των σπιν, κάτι που δεν μπορεί να γίνει σε ένα συμβατικό υλικό, και στη διαδικασία παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια που είναι ντυμένα με το πλέγμα σπιν μπορούν να γίνουν 10 έως 20 φορές βαρύτερα από τα «γυμνά ηλεκτρόνια, ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται. Η δυνατότητα συντονισμού μπορεί επίσης να προκαλέσει κβαντικές μεταβάσεις φάσης όπου τα βαριά ηλεκτρόνια μετατρέπονται σε ελαφρά ηλεκτρόνια με, ενδιάμεσα, την πιθανή εμφάνιση μιας «παράξενης» μεταλλικής φάσης, στην οποία η ηλεκτρική αντίσταση αυξάνεται γραμμικά με τη θερμοκρασία. Η πραγματοποίηση αυτού του τύπου μετάβασης θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατανόηση της φαινομενολογίας των υπεραγώγιμων υψηλής θερμοκρασίας στα οξείδια του χαλκού. «Τα αποτελέσματά μας θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα εργαστηριακό σημείο αναφοράς για τους θεωρητικούς», είπε ο Μακ. «Στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, οι θεωρητικοί προσπαθούν να αντιμετωπίσουν το περίπλοκο πρόβλημα ενός τρισεκατομμυρίου ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν. Θα ήταν υπέροχο αν δεν χρειάζεται να ανησυχούν για άλλες επιπλοκές, όπως η χημεία και η επιστήμη των υλικών, σε πραγματικά υλικά. Έτσι συχνά μελετούν αυτά τα υλικά με ένα μοντέλο πλέγματος Kondo «σφαιρικής αγελάδας».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php