半導体格子は電子と磁気モーメントを結びつける

半導体格子は電子と磁気モーメントを結びつける

タイムスタンプ：22年2023月12日午後56時
ソースノード： 2528279
22年2023月XNUMX日 (Nanowerkニュース) 単層半導体のペアを積み重ねることによって作成されたモデル システムは、重いフェルミオンからエキゾチックな量子相転移まで、交絡量子挙動を研究するためのより簡単な方法を物理学者に提供しています。 で発表されたグループの論文 自然 (「モアレ近藤格子におけるゲート調整可能な重いフェルミ粒子」）。 筆頭著者は、コーネル大学カブリ研究所の博士研究員 Wenjin Zhao です。 このプロジェクトは、アーツ アンド サイエンス大学の物理学教授であるキン ファイ マック氏と、コーネル エンジニアリングおよび A&S で応用および工学物理学の教授である Jie Shan 氏によって主導されました。 どちらの研究者もカブリ研究所のメンバーです。 彼らは、学長のナノスケール科学およびマイクロシステム工学 (NEXT Nano) イニシアチブを通じてコーネルにやって来ました。 透過型電子顕微鏡画像は、二テルル化モリブデンと二セレン化タングステンのモアレ格子を示しています。 透過型電子顕微鏡画像は、二テルル化モリブデンと二セレン化タングステンのモアレ格子を示しています。 (画像: Yu-Tsun Shao と David Muller) チームは、日本の理論物理学者である近藤純にちなんで名付けられた、近藤効果として知られる現象に取り組み始めました。 約 XNUMX 年前、実験物理学者は、金属を取り、少数の原子でも磁性不純物で置換することにより、材料の伝導電子を散乱させ、その抵抗率を根本的に変えることができることを発見しました。 この現象は物理学者を困惑させたが、近藤は伝導電子がどのようにして磁性不純物を「遮蔽」し、電子スピンが磁性不純物のスピンと反対方向にペアになって一重項を形成するかを示すモデルで説明した. 近藤不純物問題は現在十分に理解されていますが、近藤格子問題 (ランダムな磁気不純物の代わりに磁気モーメントの規則的な格子を持つもの) ははるかに複雑であり、物理学者を悩ませ続けています。 近藤格子問題の実験的研究には、通常、希土類元素の金属間化合物が含まれますが、これらの材料には独自の制限があります。 「周期表の一番下まで移動すると、原子には 70 個の電子が存在することになります」と Mak 氏は言います。 「物質の電子構造は非常に複雑になります。 近藤とのやり取りがなくても、何が起こっているのかを説明するのは非常に困難です。」 研究者らは、モット絶縁状態に調整された二テルル化モリブデンと、遍歴伝導電子がドープされた二セレン化タングステンのXNUMXつの半導体の極薄単分子層を積み重ねることによって、近藤格子をシミュレートしました。 これらの材料は、かさばる金属間化合物よりもはるかに単純であり、巧妙なひねりを加えて積み重ねられています。 層を 180 度の角度で回転させると、層が重なり合うことでモアレ格子パターンが生じ、個々の電子が小さなスロットに閉じ込められます。これは、卵パックの卵のようです。 この構成により、数十個の電子が希土類元素内でごちゃ混ぜになるという複雑な問題が回避されます。 また、金属間化合物で磁気モーメントの規則的な配列を準備するために化学を必要とする代わりに、簡略化された近藤格子はバッテリーのみを必要とします。 電圧が適切に印加されると、材料はスピンの格子を形成するように順序付けられ、別の電圧にダイヤルすると、スピンが消滅し、連続的に調整可能なシステムが生成されます。 「すべてがよりシンプルになり、より制御しやすくなります」とマックは言いました。 研究チームは、電子の質量とスピンの密度を連続的に調整することができましたが、これは従来の材料ではできませんでした。その過程で、スピン格子をまとった電子が、「素の」よりも 10 倍から 20 倍重くなる可能性があることを観察しました。 」電子、印加電圧に応じて。 調整可能性は、量子相転移を誘発することもできます。これにより、重い電子が軽い電子に変わり、その間に、電気抵抗が温度に比例して増加する「奇妙な」金属相が出現する可能性があります。 このタイプの遷移の実現は、銅酸化物の高温超伝導現象を理解するのに特に役立つ可能性があります。 「私たちの結果は、理論家に実験室のベンチマークを提供する可能性があります」とマックは言いました。 「凝縮物質物理学では、理論家たちは、XNUMX兆個の相互作用する電子の複雑な問題に取り組もうとしています。 実際の材料では、化学や材料科学など、他の複雑な問題について心配する必要がなくなるとよいでしょう。 そのため、彼らはしばしば「球状牛」近藤格子モデルでこれらの材料を研究します。

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