Halvledergitter gifter seg med elektroner og magnetiske momenter

22. mars 2023 (Nanowerk Nyheter) Et modellsystem laget ved å stable et par monolags halvledere gir fysikere en enklere måte å studere forvirrende kvanteatferd, fra tunge fermioner til eksotiske kvantefaseoverganger. Gruppens artikkel publisert i Natur ("Gate-tunerbare tunge fermioner i et Moiré Kondo-gitter"). Hovedforfatteren er postdoktor Wenjin Zhao ved Kavli Institute på Cornell. Prosjektet ble ledet av Kin Fai Mak, professor i fysikk ved College of Arts and Sciences, og Jie Shan, professor i anvendt og ingeniørfysikk i Cornell Engineering og i A&S, avisens co-seniorforfattere. Begge forskerne er medlemmer av Kavli-instituttet; de kom til Cornell gjennom prostens Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) initiativ. Et transmisjonselektronmikroskopbilde viser moirégitteret av molybdenditellurid og wolframdiselenid. (Bilde: Yu-Tsun Shao og David Muller) Teamet tok for seg det som er kjent som Kondo-effekten, oppkalt etter den japanske teoretiske fysikeren Jun Kondo. For rundt seks tiår siden oppdaget eksperimentelle fysikere at ved å ta et metall og erstatte til og med et lite antall atomer med magnetiske urenheter, kunne de spre materialets ledningselektroner og radikalt endre resistiviteten. Dette fenomenet forvirret fysikere, men Kondo forklarte det med en modell som viste hvordan ledningselektroner kan "skjerme" de magnetiske urenhetene, slik at elektronspinnet pares med spinnet til en magnetisk urenhet i motsatte retninger, og danner en singlett. Mens Kondo-urenhetsproblemet nå er godt forstått, er Kondo-gitterproblemet – et med et regelmessig gitter av magnetiske momenter i stedet for tilfeldige magnetiske urenheter – mye mer komplisert og fortsetter å stumpe fysikere. Eksperimentelle studier av Kondo-gitterproblemet involverer vanligvis intermetalliske forbindelser av sjeldne jordartselementer, men disse materialene har sine egne begrensninger. "Når du beveger deg helt ned til bunnen av det periodiske system, ender du opp med noe sånt som 70 elektroner i et atom," sa Mak. «Den elektroniske strukturen til materialet blir så komplisert. Det er veldig vanskelig å beskrive hva som skjer selv uten Kondo-interaksjoner.» Forskerne simulerte Kondo-gitteret ved å stable ultratynne monolag av to halvledere: molybdenditellurid, innstilt til en Mott-isolerende tilstand, og wolframdiselenid, som var dopet med omreisende ledningselektroner. Disse materialene er mye enklere enn klumpete intermetalliske forbindelser, og de er stablet med en smart vri. Ved å rotere lagene i en 180-graders vinkel, resulterer deres overlapping i et moiré-gittermønster som fanger individuelle elektroner i bittesmå spor, som ligner på egg i en eggekartong. Denne konfigurasjonen unngår komplikasjonen av dusinvis av elektroner som blander seg sammen i de sjeldne jordartselementene. Og i stedet for å kreve kjemi for å forberede det vanlige utvalget av magnetiske momenter i de intermetalliske forbindelsene, trenger det forenklede Kondo-gitteret bare et batteri. Når en spenning påføres akkurat, blir materialet ordnet til å danne et gitter av spinn, og når man ringer til en annen spenning, slukkes spinnene, og produserer et kontinuerlig avstembart system. "Alt blir mye enklere og mye mer kontrollerbart," sa Mak. Forskerne var i stand til kontinuerlig å justere elektronmassen og tettheten til spinnene, noe som ikke kan gjøres i et konvensjonelt materiale, og i prosessen observerte de at elektronene kledd med spinngitteret kan bli 10 til 20 ganger tyngre enn de "bare ” elektroner, avhengig av spenningen som påføres. Avstemmingen kan også indusere kvantefaseoverganger der tunge elektroner blir til lette elektroner med, i mellom, mulig fremvekst av en "rar" metallfase, der elektrisk motstand øker lineært med temperaturen. Realiseringen av denne typen overgang kan være spesielt nyttig for å forstå høytemperatur-superledende fenomenologi i kobberoksider. "Resultatene våre kan gi et laboratoriemål for teoretikere," sa Mak. "I fysikk av kondensert materie prøver teoretikere å håndtere det kompliserte problemet med en billion interagerende elektroner. Det ville vært flott om de ikke trenger å bekymre seg for andre komplikasjoner, som kjemi og materialvitenskap, i ekte materialer. Så de studerer ofte disse materialene med en 'sfærisk ku' Kondo-gittermodell.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php