반도체 격자는 전자와 자기 모멘트를 결합합니다.

22년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 한 쌍의 단층 반도체를 적층하여 만든 모델 시스템은 물리학자들에게 무거운 페르미온에서 이국적인 양자 위상 전이에 이르기까지 혼란스러운 양자 행동을 연구하는 더 간단한 방법을 제공합니다. 에 발표된 그룹의 논문 자연 ("모아레 곤도 격자의 게이트 조정 가능 무거운 페르미온"). 주 저자는 Cornell에 있는 Kavli Institute의 박사후 연구원 Wenjin Zhao입니다. 이 프로젝트는 예술 과학 대학의 물리학 교수인 Kin Fai Mak과 논문의 공동 선임 저자인 Cornell Engineering과 A&S의 응용 및 공학 물리학 교수인 Jie Shan이 주도했습니다. 두 연구원 모두 Kavli Institute의 회원입니다. 그들은 Provost의 Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) 이니셔티브를 통해 Cornell에 왔습니다. 투과 전자 현미경 이미지는 몰리브덴 디텔루라이드와 텅스텐 디셀레나이드의 모아레 격자를 보여줍니다. (이미지: Yu-Tsun Shao 및 David Muller) 팀은 일본 이론물리학자 Jun Kondo의 이름을 딴 Kondo 효과로 알려진 문제를 해결하기 시작했습니다. 약 XNUMX년 전, 실험 물리학자들은 금속을 취하여 적은 수의 원자를 자성 불순물로 대체함으로써 물질의 전도 전자를 산란시키고 저항을 근본적으로 변경할 수 있음을 발견했습니다. 그 현상은 물리학자들을 당혹스럽게 했지만, Kondo는 전도 전자가 자성 불순물을 "스크린"할 수 있는 방법을 보여주는 모델로 설명했습니다. 전자 스핀은 반대 방향으로 자성 불순물의 스핀과 쌍을 이루어 단일항을 형성합니다. Kondo 불순물 문제는 이제 잘 이해되고 있지만 Kondo 격자 문제(무작위 자기 불순물 대신 규칙적인 자기 모멘트 격자가 있는 문제)는 훨씬 더 복잡하며 물리학자들을 계속 난처하게 합니다. 콘도 격자 문제에 대한 실험적 연구는 일반적으로 희토류 원소의 금속간 화합물을 포함하지만 이러한 물질에는 고유한 한계가 있습니다. "주기율표의 맨 아래로 내려가면 원자에 70개의 전자가 있는 것과 같습니다."라고 Mak은 말했습니다. “재료의 전자 구조가 너무 복잡해집니다. Kondo 상호 작용 없이도 무슨 일이 일어나고 있는지 설명하기가 매우 어렵습니다.” 연구원들은 Mott 절연 상태로 조정된 몰리브덴 디텔루라이드와 순회 전도 전자로 도핑된 텅스텐 디셀레나이드의 두 반도체의 초박형 단일층을 적층하여 콘도 격자를 시뮬레이션했습니다. 이러한 물질은 부피가 큰 금속간 화합물보다 훨씬 단순하며 교묘하게 꼬여 쌓입니다. 층을 180도 각도로 회전시키면 층이 겹치면서 모아레 격자 패턴이 생겨 달걀 상자 속의 달걀과 같이 작은 슬롯에 개별 전자가 가두어집니다. 이 구성은 희토류 원소에서 함께 뒤섞이는 수십 개의 전자의 복잡성을 피합니다. 그리고 금속간 화합물에서 규칙적인 자기 모멘트 배열을 준비하기 위해 화학을 요구하는 대신 단순화된 Kondo 격자에는 배터리만 필요합니다. 전압이 정확히 가해지면 재료는 스핀 격자를 형성하도록 지시되고 다른 전압에 다이얼을 돌리면 스핀이 소멸되어 지속적으로 조정 가능한 시스템을 생성합니다. Mak은 "모든 것이 훨씬 더 단순해지고 훨씬 더 제어하기 쉬워집니다."라고 말했습니다. 연구진은 기존 물질로는 불가능한 스핀의 전자 질량과 밀도를 지속적으로 조정할 수 있었고, 그 과정에서 스핀 격자로 옷을 입은 전자가 "베어"보다 10~20배 더 무거워질 수 있음을 관찰했다. 적용된 전압에 따라 전자. 조정 가능성은 또한 전기 저항이 온도에 따라 선형적으로 증가하는 "이상한" 금속 상의 출현 가능성과 함께 무거운 전자가 가벼운 전자로 변하는 양자 위상 전이를 유도할 수 있습니다. 이러한 유형의 전이의 실현은 구리 산화물의 고온 초전도 현상을 이해하는 데 특히 유용할 수 있습니다. "우리의 결과는 이론가들에게 실험실 벤치마크를 제공할 수 있습니다."라고 Mak은 말했습니다. “응축 물질 물리학에서 이론가들은 XNUMX조 개의 전자가 상호 작용하는 복잡한 문제를 다루려고 노력하고 있습니다. 실제 재료에서 화학이나 재료과학 같은 다른 복잡한 문제에 대해 걱정하지 않아도 된다면 얼마나 좋을까. 그래서 그들은 종종 '구형 소' Kondo 격자 모델로 이러한 재료를 연구합니다.

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• 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php