شبکه نیمه هادی با الکترون ها و گشتاورهای مغناطیسی ازدواج می کند

شبکه نیمه هادی با الکترون ها و گشتاورهای مغناطیسی ازدواج می کند

تمبر زمان: 22 مارس 2023، 12:56 بعد از ظهر
گره منبع: 2528279
22 مارس 2023 (اخبار نانوورکیک سیستم مدل ایجاد شده از روی هم قرار دادن یک جفت نیمه هادی تک لایه به فیزیکدانان راه ساده تری برای مطالعه رفتار کوانتومی مخدوش کننده، از فرمیون های سنگین تا انتقال فاز کوانتومی عجیب و غریب، می دهد. مقاله این گروه منتشر شده در طبیعت (فرمیون‌های سنگین قابل تنظیم در یک شبکه مویره کوندو). نویسنده اصلی، ونجین ژائو، همکار فوق دکترا در موسسه کاولی در کرنل است. این پروژه توسط Kin Fai Mak، استاد فیزیک در کالج هنر و علوم، و جی شان، استاد فیزیک کاربردی و مهندسی در مهندسی کرنل و در A&S، نویسندگان ارشد مقاله، رهبری شد. هر دو محقق از اعضای مؤسسه کاولی هستند. آنها از طریق ابتکار مهندسی علوم و میکروسیستم در مقیاس نانو (NEXT Nano) به کرنل آمدند. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری، شبکه موآر از دی‌تلورید مولیبدن و دیزلنید تنگستن را نشان می‌دهد. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری، شبکه موآر از دی‌تلورید مولیبدن و دیزلنید تنگستن را نشان می‌دهد. (تصویر: یو-تسون شائو و دیوید مولر) این تیم تصمیم گرفت تا به آنچه به عنوان اثر کوندو معروف است، بپردازد، که نام آن از فیزیکدان نظری ژاپنی جون کوندو گرفته شده است. حدود شش دهه پیش، فیزیکدانان تجربی کشف کردند که با گرفتن یک فلز و جایگزینی حتی تعداد کمی از اتم ها با ناخالصی های مغناطیسی، می توانند الکترون های رسانایی ماده را پراکنده کنند و مقاومت آن را به شدت تغییر دهند. این پدیده فیزیکدانان را متحیر کرد، اما کوندو آن را با مدلی توضیح داد که نشان می‌دهد چگونه الکترون‌های رسانا می‌توانند ناخالصی‌های مغناطیسی را «غربال» کنند، به طوری که اسپین الکترون با اسپین ناخالصی مغناطیسی در جهات مخالف جفت می‌شود و یک منفرد را تشکیل می‌دهد. در حالی که مسئله ناخالصی کوندو اکنون به خوبی درک شده است، مشکل شبکه کوندو - یکی با شبکه منظم گشتاورهای مغناطیسی به جای ناخالصی های مغناطیسی تصادفی - بسیار پیچیده تر است و همچنان فیزیکدانان را تحت تأثیر قرار می دهد. مطالعات تجربی مسئله شبکه کوندو معمولاً شامل ترکیبات بین فلزی عناصر خاکی کمیاب است، اما این مواد محدودیت‌های خاص خود را دارند. مک گفت: «وقتی تا انتهای جدول تناوبی به سمت پایین حرکت کنید، در نهایت چیزی حدود 70 الکترون در یک اتم خواهید داشت. ساختار الکترونیکی مواد بسیار پیچیده می شود. توصیف آنچه که در حال وقوع است حتی بدون تعاملات کوندو بسیار دشوار است. محققان شبکه Kondo را با چیدن تک لایه های فوق نازک دو نیمه هادی شبیه سازی کردند: دیتلورید مولیبدن، تنظیم شده به حالت عایق موت، و تنگستن دیزلنید، که با الکترون های رسانای گردشی دوپ شده بود. این مواد بسیار ساده تر از ترکیبات بین فلزی حجیم هستند و با پیچ و تاب هوشمندانه ای روی هم قرار گرفته اند. با چرخش لایه‌ها در زاویه 180 درجه، همپوشانی آنها منجر به یک الگوی شبکه موآر می‌شود که تک تک الکترون‌ها را در شکاف‌های کوچک به دام می‌اندازد، شبیه به تخم‌های موجود در کارتن تخم‌مرغ. این پیکربندی از پیچیدگی درهم آمیختن ده‌ها الکترون با هم در عناصر کمیاب خاکی جلوگیری می‌کند. و به جای نیاز به شیمی برای تهیه آرایه منظم گشتاورهای مغناطیسی در ترکیبات بین فلزی، شبکه ساده شده Kondo فقط به یک باتری نیاز دارد. هنگامی که یک ولتاژ به درستی اعمال می شود، مواد به شکل شبکه ای از اسپین ها مرتب می شوند و هنگامی که یک ولتاژ متفاوت را شماره گیری می کنید، اسپین ها خاموش می شوند و یک سیستم پیوسته قابل تنظیم تولید می شود. مک گفت: "همه چیز بسیار ساده تر و قابل کنترل تر می شود." محققان توانستند به طور پیوسته جرم و چگالی الکترون اسپین ها را تنظیم کنند، کاری که در یک ماده معمولی قابل انجام نیست، و در این فرآیند مشاهده کردند که الکترون های پوشیده شده با شبکه اسپینی می توانند 10 تا 20 برابر سنگین تر از "لخت" شوند. الکترون ها، بسته به ولتاژ اعمال شده. این قابلیت تنظیم همچنین می‌تواند باعث انتقال فاز کوانتومی شود که در آن الکترون‌های سنگین به الکترون‌های سبک تبدیل می‌شوند و در این بین، ممکن است یک فاز فلزی "عجیب" پیدا شود که در آن مقاومت الکتریکی به صورت خطی با دما افزایش می‌یابد. تحقق این نوع انتقال می‌تواند به ویژه برای درک پدیده‌شناسی ابررسانا در دمای بالا در اکسیدهای مس مفید باشد. مک گفت: «نتایج ما می تواند یک معیار آزمایشگاهی برای نظریه پردازان باشد. در فیزیک ماده متراکم، نظریه پردازان در تلاش هستند تا با مشکل پیچیده تریلیون الکترون در حال تعامل بپردازند. اگر آنها مجبور نباشند نگران عوارض دیگری مانند شیمی و علم مواد در مواد واقعی نباشند، عالی خواهد بود. بنابراین آنها اغلب این مواد را با یک مدل شبکه کوندو "گاو کروی" مطالعه می کنند.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک