Puolijohdehila yhdistää elektronit ja magneettiset momentit

22. maaliskuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Mallijärjestelmä, joka on luotu pinoamalla yksikerroksisia puolijohteita, antaa fyysikoille yksinkertaisemman tavan tutkia hämmentävää kvanttikäyttäytymistä raskaista fermioneista eksoottisiin kvanttifaasisiirtymiin. Ryhmän lehti julkaistiin v luonto ("Portilla viritettävät raskaat fermionit Moiré Kondo -hilassa"). Johtava kirjoittaja on tohtori Wenjin Zhao Cornellin Kavli-instituutissa. Projektia johtivat Taide- ja tiedeakatemian fysiikan professori Kin Fai Mak ja Cornell Engineeringin sekä A&S:n soveltavan ja teknisen fysiikan professori Jie Shan, jotka ovat paperin vanhempia kirjoittajia. Molemmat tutkijat ovat Kavli-instituutin jäseniä; he tulivat Cornelliin provostin Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) -aloitteen kautta. Transmissioelektronimikroskoopin kuvassa näkyy molybdeenidelluridin ja volframidiselenidin moiré-hila. (Kuva: Yu-Tsun Shao ja David Muller) Tiimi ryhtyi käsittelemään niin sanottua Kondo-ilmiötä, joka on nimetty japanilaisen teoreettisen fyysikon Jun Kondon mukaan. Noin kuusi vuosikymmentä sitten kokeelliset fyysikot havaitsivat, että ottamalla metalli ja korvaamalla jopa pieni määrä atomeja magneettisilla epäpuhtauksilla he voivat hajottaa materiaalin johtavuuselektroneja ja muuttaa radikaalisti sen ominaisvastusta. Tämä ilmiö hämmensi fyysikot, mutta Kondo selitti sen mallilla, joka osoitti, kuinka johtavuuselektronit voivat "seuloa" magneettiset epäpuhtaudet siten, että elektronien spin pariutuu magneettisen epäpuhtauden spinin kanssa vastakkaisiin suuntiin muodostaen singletin. Vaikka Kondo-epäpuhtausongelma ymmärretään nyt hyvin, Kondo-hilaongelma – jossa on säännöllinen magneettisten momenttien hila satunnaisten magneettisten epäpuhtauksien sijaan – on paljon monimutkaisempi ja vaivaa edelleen fyysikot. Kondo-hilaongelman kokeellisissa tutkimuksissa käytetään yleensä harvinaisten maametallien metallien välisiä yhdisteitä, mutta näillä materiaaleilla on omat rajoituksensa. "Kun siirryt jaksollisen järjestelmän alaosaan, atomissa on noin 70 elektronia", Mak sanoi. ”Materiaalin elektronisesta rakenteesta tulee niin monimutkainen. On erittäin vaikea kuvailla, mitä tapahtuu, jopa ilman Kondo-vuorovaikutusta." Tutkijat simuloivat Kondo-hilaa pinoamalla kahden puolijohteen ultraohuita yksikerroksisia kerroksia: molybdeenidelluridia, joka on viritetty Mott-eristystilaan, ja volframidiselenidia, joka oli seostettu kiertävillä johtumiselektroneilla. Nämä materiaalit ovat paljon yksinkertaisempia kuin isot metallien väliset yhdisteet, ja ne on pinottu näppärällä kierteellä. Kiertämällä kerroksia 180 asteen kulmassa, niiden päällekkäisyys johtaa moiré-hilakuvioon, joka vangitsee yksittäiset elektronit pieniin rakoihin, samalla tavalla kuin munat munalaatikossa. Tämä konfiguraatio välttää monimutkaisen kymmenien elektronien sekoittumisen harvinaisten maametallien alkuaineissa. Ja sen sijaan, että vaadittaisiin kemiaa valmistamaan säännöllinen joukko magneettisia momentteja metallien välisissä yhdisteissä, yksinkertaistettu Kondo-hila tarvitsee vain akun. Kun jännite kohdistetaan juuri oikeaan, materiaali määräytyy muodostamaan spinien hilan, ja kun valitaan eri jännite, spinit sammuvat, jolloin syntyy jatkuvasti viritettävä järjestelmä. "Kaikki tulee paljon yksinkertaisempaa ja paljon hallittavampaa", Mak sanoi. Tutkijat pystyivät jatkuvasti virittämään spinien elektronimassaa ja -tiheyttä, mitä ei voida tehdä tavanomaisessa materiaalissa, ja prosessissa he havaitsivat, että spinhilassa pudotetut elektronit voivat tulla 10-20 kertaa raskaampia kuin "paljaat" ” elektroneja käytetystä jännitteestä riippuen. Virittävyys voi myös indusoida kvanttifaasimuutoksia, joissa raskaat elektronit muuttuvat kevyiksi elektroneiksi ja niiden väliin voi ilmaantua "outo" metallifaasi, jossa sähkövastus kasvaa lineaarisesti lämpötilan mukana. Tämän tyyppisen siirtymän toteuttaminen voisi olla erityisen hyödyllistä kuparioksidien korkean lämpötilan suprajohtamisfenomenologian ymmärtämisessä. "Tuloksemme voisivat tarjota laboratoriovertailun teoreetikoille", Mak sanoi. "Lauhdutetun aineen fysiikassa teoreetikot yrittävät käsitellä biljoonan vuorovaikutuksessa olevan elektronin monimutkaista ongelmaa. Olisi hienoa, jos heidän ei tarvitse huolehtia muista komplikaatioista, kuten kemiasta ja materiaalitieteestä, todellisissa materiaaleissa. Siksi he usein tutkivat näitä materiaaleja "pallomaisella lehmän" Kondo-hilamallilla.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php