סריג מוליכים למחצה מתחתן עם אלקטרונים ומומנטים מגנטיים

22 במרץ 2023 (חדשות Nanowerk) מערכת מודל שנוצרה על ידי ערימת זוג מוליכים למחצה חד-שכבתיים נותנת לפיזיקאים דרך פשוטה יותר לחקור התנהגות קוונטית מבלבלת, מפרמיונים כבדים למעברי פאזה קוונטיים אקזוטיים. מאמר הקבוצה פורסם ב טבע ("פרמיונים כבדים הניתנים לכוונון שער בסריג של Moiré Kondo"). המחבר הראשי הוא עמית פוסט-דוקטורט Wenjin Zhao במכון Kavli בקורנל. את הפרויקט הובילו Kin Fai Mak, פרופסור לפיזיקה במכללה לאמנויות ומדעים, וג'י שאן, פרופסור לפיזיקה יישומית והנדסית בהנדסת קורנל וב-A&S, מחברי המאמר הבכירים. שני החוקרים חברים במכון קוולי; הם הגיעו לקורנל באמצעות יוזמת המדע והמיקרו-מערכות הנדסית (NEXT Nano) של הפרובוסט. תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת מציגה את סריג המוארה של מוליבדן דיטלוריד וטונגסטן דיסלןיד. (תמונה: יו-צון שאו ודיוויד מולר) הצוות יצא לטפל במה שמכונה אפקט קונדו, על שם הפיזיקאי התיאורטי היפני ג'ון קונדו. לפני כשישה עשורים גילו פיזיקאים ניסויים שעל ידי לקיחת מתכת והחלפת אפילו מספר קטן של אטומים בזיהומים מגנטיים, הם יכולים לפזר את אלקטרוני ההולכה של החומר ולשנות באופן קיצוני את ההתנגדות שלו. התופעה הזו תמה פיזיקאים, אבל קונדו הסביר אותה עם מודל שהראה כיצד אלקטרוני הולכה יכולים "לסנן" את הזיהומים המגנטיים, כך שהספין של האלקטרון מזדווג עם הספין של טומאה מגנטית בכיוונים מנוגדים, ויוצרים סינגל. בעוד שבעיית הטומאה של קונדו מובנת כעת היטב, בעיית סריג הקונדו - בעיה עם סריג קבוע של מומנטים מגנטיים במקום זיהומים מגנטיים אקראיים - היא הרבה יותר מסובכת וממשיכה להכשיל את הפיזיקאים. מחקרים ניסיוניים של בעיית סריג קונדו כוללים בדרך כלל תרכובות בין-מתכתיות של יסודות אדמה נדירים, אך לחומרים אלו יש מגבלות משלהם. "כשאתה זז כל הדרך למטה לתחתית הטבלה המחזורית, אתה מוצא משהו כמו 70 אלקטרונים באטום," אמר מק. "המבנה האלקטרוני של החומר נעשה כל כך מסובך. קשה מאוד לתאר מה קורה גם בלי אינטראקציות קונדו”. החוקרים דימו את סריג הקונדו על ידי ערימת שכבות חד-שכבות דקות במיוחד של שני מוליכים למחצה: מוליבדן דיטלוריד, מכוון למצב מבודד Mott, וטונגסטן דיסלניד, שהיה מסומם באלקטרוני הולכה נודדים. חומרים אלה פשוטים הרבה יותר מתרכובות בין-מתכתיות מגושמות, והם מוערמים עם טוויסט חכם. על ידי סיבוב השכבות בזווית של 180 מעלות, החפיפה שלהן גורמת לתבנית סריג מוארה הלוכדת אלקטרונים בודדים בחריצים זעירים, בדומה לביצים בקרטון ביצים. תצורה זו מונעת את הסיבוך של עשרות אלקטרונים שמתערבבים יחד ביסודות האדמה הנדירים. ובמקום לדרוש כימיה כדי להכין את המערך הקבוע של המומנטים המגנטיים בתרכובות הבין-מתכתיות, סריג הקונדו הפשוט צריך רק סוללה. כאשר מתח מופעל בדיוק כמו שצריך, החומר מסודר ליצור סריג של ספינים, וכאשר אחד מחייג למתח אחר, הספינים נכבים, מה שיוצר מערכת מתכווננת מתמשכת. "הכל הופך להרבה יותר פשוט והרבה יותר ניתן לשליטה", אמר מק. החוקרים הצליחו לכוון ברציפות את מסת האלקטרונים וצפיפות הספינים, דבר שלא ניתן לעשות בחומר קונבנציונלי, ותוך כדי כך הם הבחינו שהאלקטרונים החבושים בסריג הספין יכולים להיות כבדים פי 10 עד 20 מה"חשופים " אלקטרונים, בהתאם למתח המופעל. הכוונון יכול גם לגרום למעברי פאזה קוונטיים לפיהם אלקטרונים כבדים הופכים לאלקטרונים קלים, וביניהם הופעה אפשרית של פאזה מתכתית "מוזרה", שבה ההתנגדות החשמלית גדלה באופן ליניארי עם הטמפרטורה. המימוש של מעבר מסוג זה יכול להיות שימושי במיוחד להבנת התופעה של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה בתחמוצות נחושת. "התוצאות שלנו יכולות לספק אמת מידה מעבדתית לתיאורטיקנים", אמר מק. "בפיזיקת החומר המעובה, תיאורטיקנים מנסים להתמודד עם הבעיה המסובכת של טריליון אלקטרונים המקיימים אינטראקציה. זה יהיה נהדר אם הם לא יצטרכו לדאוג לגבי סיבוכים אחרים, כמו כימיה ומדעי החומר, בחומרים אמיתיים. אז הם לומדים לעתים קרובות את החומרים האלה עם דגם 'פרה כדורית' של קונדו.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php