Halfgeleiderrooster trouwt met elektronen en magnetische momenten

22 maart 2023 (Nanowerk Nieuws) Een modelsysteem dat is gemaakt door een paar monolaagse halfgeleiders op elkaar te stapelen, geeft natuurkundigen een eenvoudigere manier om verstorend kwantumgedrag te bestuderen, van zware fermionen tot exotische kwantumfase-overgangen. Het artikel van de groep gepubliceerd in NATUUR ("Gate-afstembare zware fermionen in een Moiré Kondo-rooster"). De hoofdauteur is postdoctoraal onderzoeker Wenjin Zhao aan het Kavli Institute in Cornell. Het project werd geleid door Kin Fai Mak, hoogleraar natuurkunde aan het College of Arts and Sciences, en Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische natuurkunde bij Cornell Engineering en A&S, de co-senior auteurs van het artikel. Beide onderzoekers zijn lid van het Kavli Instituut; ze kwamen naar Cornell via het initiatief Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) van de provoost. Een afbeelding van een transmissie-elektronenmicroscoop toont het moiré-rooster van molybdeenditelluride en wolfraamdiselenide. (Afbeelding: Yu-Tsun Shao en David Muller) Het team ging op zoek naar het zogenaamde Kondo-effect, genoemd naar de Japanse theoretisch natuurkundige Jun Kondo. Ongeveer zes decennia geleden ontdekten experimentele natuurkundigen dat door een metaal te nemen en zelfs maar een klein aantal atomen te vervangen door magnetische onzuiverheden, ze de geleidingselektronen van het materiaal konden verstrooien en de soortelijke weerstand ervan radicaal konden veranderen. Dat fenomeen verbaasde natuurkundigen, maar Kondo legde het uit met een model dat liet zien hoe geleidingselektronen de magnetische onzuiverheden kunnen "afschermen", zodat de elektronenspin paren met de spin van een magnetische onzuiverheid in tegengestelde richtingen en een singlet vormen. Hoewel het Kondo-onzuiverheidsprobleem nu goed wordt begrepen, is het Kondo-roosterprobleem - een probleem met een regelmatig rooster van magnetische momenten in plaats van willekeurige magnetische onzuiverheden - veel gecompliceerder en blijft natuurkundigen stomverbaasd. Experimentele studies van het Kondo-roosterprobleem omvatten meestal intermetallische verbindingen van zeldzame aardmetalen, maar deze materialen hebben hun eigen beperkingen. "Als je helemaal naar de onderkant van het periodiek systeem gaat, krijg je ongeveer 70 elektronen in een atoom", zei Mak. “De elektronische structuur van het materiaal wordt zo ingewikkeld. Het is heel moeilijk om te beschrijven wat er aan de hand is, zelfs zonder Kondo-interacties." De onderzoekers simuleerden het Kondo-rooster door ultradunne monolagen van twee halfgeleiders te stapelen: molybdeenditelluride, afgestemd op een Mott-isolerende toestand, en wolfraamdiselenide, dat was gedoteerd met rondtrekkende geleidingselektronen. Deze materialen zijn veel eenvoudiger dan omvangrijke intermetallische verbindingen, en ze zijn gestapeld met een slimme draai. Door de lagen in een hoek van 180 graden te draaien, resulteert hun overlapping in een moiré-roosterpatroon dat individuele elektronen in kleine sleuven opsluit, vergelijkbaar met eieren in een eierdoos. Deze configuratie vermijdt de complicatie van tientallen elektronen die samenkomen in de zeldzame aardmetalen. En in plaats van chemie te vereisen om de reguliere reeks magnetische momenten in de intermetallische verbindingen voor te bereiden, heeft het vereenvoudigde Kondo-rooster alleen een batterij nodig. Wanneer een spanning precies goed wordt toegepast, wordt het materiaal geordend om een ​​rooster van spins te vormen, en wanneer men naar een andere spanning kiest, worden de spins gedoofd, waardoor een continu afstembaar systeem ontstaat. "Alles wordt veel eenvoudiger en veel beter beheersbaar", zei Mak. De onderzoekers waren in staat om continu de elektronenmassa en dichtheid van de spins af te stemmen, wat niet mogelijk is in een conventioneel materiaal, en daarbij zagen ze dat de elektronen bekleed met het spinrooster 10 tot 20 keer zwaarder kunnen worden dan het "kale ” elektronen, afhankelijk van de aangelegde spanning. De afstembaarheid kan ook kwantumfase-overgangen induceren waarbij zware elektronen lichte elektronen worden met daartussen mogelijk het ontstaan ​​van een “vreemde” metaalfase, waarin de elektrische weerstand lineair toeneemt met de temperatuur. De realisatie van dit type overgang zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor het begrijpen van de supergeleidende fenomenologie bij hoge temperatuur in koperoxiden. "Onze resultaten zouden een laboratoriumbenchmark kunnen zijn voor theoretici," zei Mak. “In de fysica van de gecondenseerde materie proberen theoretici het gecompliceerde probleem van een biljoen interagerende elektronen aan te pakken. Het zou geweldig zijn als ze zich geen zorgen hoeven te maken over andere complicaties, zoals scheikunde en materiaalkunde, in echte materialen. Daarom bestuderen ze deze materialen vaak met een 'sferische koe' Kondo-roostermodel.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php