Il reticolo semiconduttore sposa elettroni e momenti magnetici

22 marzo 2023 (Notizie Nanowerk) Un sistema modello creato impilando una coppia di semiconduttori monostrato offre ai fisici un modo più semplice per studiare il comportamento quantistico confondente, dai fermioni pesanti alle esotiche transizioni di fase quantistiche. Il documento del gruppo pubblicato in Natura ("Fermioni pesanti sintonizzabili con gate in un reticolo Moiré Kondo"). L'autore principale è il collega postdottorato Wenjin Zhao del Kavli Institute di Cornell. Il progetto è stato guidato da Kin Fai Mak, professore di fisica presso il College of Arts and Sciences, e Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica presso Cornell Engineering e A&S, co-autori senior del documento. Entrambi i ricercatori sono membri del Kavli Institute; sono arrivati ​​a Cornell attraverso l'iniziativa NEXT Nano (Nanoscale Science and Microsystems Engineering) del rettore. Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra il reticolo moiré di ditellururo di molibdeno e diseleniuro di tungsteno. (Immagine: Yu-Tsun Shao e David Muller) Il team ha deciso di affrontare quello che è noto come effetto Kondo, dal nome del fisico teorico giapponese Jun Kondo. Circa sessant'anni fa, i fisici sperimentali scoprirono che prendendo un metallo e sostituendo anche un piccolo numero di atomi con impurità magnetiche, potevano disperdere gli elettroni di conduzione del materiale e alterarne radicalmente la resistività. Quel fenomeno lasciò perplessi i fisici, ma Kondo lo spiegò con un modello che mostrava come gli elettroni di conduzione possono "schermare" le impurità magnetiche, in modo tale che lo spin dell'elettrone si accoppi con lo spin di un'impurità magnetica in direzioni opposte, formando un singoletto. Mentre il problema dell'impurità di Kondo è ora ben compreso, il problema del reticolo di Kondo - uno con un reticolo regolare di momenti magnetici invece di impurità magnetiche casuali - è molto più complicato e continua a sconcertare i fisici. Gli studi sperimentali del problema del reticolo di Kondo di solito coinvolgono composti intermetallici di elementi delle terre rare, ma questi materiali hanno i loro limiti. "Quando ti sposti fino in fondo alla tavola periodica, ti ritrovi con qualcosa come 70 elettroni in un atomo", ha detto Mak. “La struttura elettronica del materiale diventa così complicata. È molto difficile descrivere cosa sta succedendo anche senza le interazioni di Kondo". I ricercatori hanno simulato il reticolo di Kondo impilando monostrati ultrasottili di due semiconduttori: il ditellururo di molibdeno, sintonizzato su uno stato isolante di Mott, e il diseleniuro di tungsteno, che è stato drogato con elettroni di conduzione itineranti. Questi materiali sono molto più semplici dei composti intermetallici ingombranti e sono impilati con una svolta intelligente. Ruotando gli strati di un angolo di 180 gradi, la loro sovrapposizione si traduce in un reticolo moiré che intrappola i singoli elettroni in minuscole fessure, simili alle uova in un cartone di uova. Questa configurazione evita la complicazione di dozzine di elettroni che si mescolano insieme negli elementi delle terre rare. E invece di richiedere la chimica per preparare la serie regolare di momenti magnetici nei composti intermetallici, il reticolo di Kondo semplificato necessita solo di una batteria. Quando una tensione viene applicata nel modo giusto, il materiale viene ordinato in modo da formare un reticolo di spin, e quando si seleziona una tensione diversa, gli spin vengono spenti, producendo un sistema continuamente sintonizzabile. "Tutto diventa molto più semplice e molto più controllabile", ha detto Mak. I ricercatori sono stati in grado di regolare continuamente la massa dell'elettrone e la densità degli spin, cosa impossibile in un materiale convenzionale, e nel processo hanno osservato che gli elettroni rivestiti con il reticolo di spin possono diventare da 10 a 20 volte più pesanti del "nudo reticolo di spin". ” elettroni, a seconda della tensione applicata. La sintonizzazione può anche indurre transizioni di fase quantistiche per cui gli elettroni pesanti si trasformano in elettroni leggeri con, nel mezzo, la possibile comparsa di una "strana" fase metallica, in cui la resistenza elettrica aumenta linearmente con la temperatura. La realizzazione di questo tipo di transizione potrebbe essere particolarmente utile per comprendere la fenomenologia dei superconduttori ad alta temperatura negli ossidi di rame. "I nostri risultati potrebbero fornire un punto di riferimento di laboratorio per i teorici", ha affermato Mak. “Nella fisica della materia condensata, i teorici stanno cercando di affrontare il complicato problema di un trilione di elettroni interagenti. Sarebbe fantastico se non dovessero preoccuparsi di altre complicazioni, come la chimica e la scienza dei materiali, nei materiali reali. Quindi spesso studiano questi materiali con un modello di reticolo Kondo "mucca sferica".

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php