Sieć półprzewodnikowa łączy elektrony i momenty magnetyczne

22 marca 2023 (Wiadomości Nanowerk) System modelowy utworzony przez ułożenie pary jednowarstwowych półprzewodników daje fizykom prostszy sposób badania skomplikowanych zachowań kwantowych, od ciężkich fermionów po egzotyczne kwantowe przejścia fazowe. Artykuł grupy opublikowany w Natura („Przestrajalne bramki ciężkie fermiony w sieci Moiré Kondo”). Głównym autorem jest doktor habilitowany Wenjin Zhao w Instytucie Kavli w Cornell. Projektem kierowali Kin Fai Mak, profesor fizyki w College of Arts and Sciences oraz Jie Shan, profesor fizyki stosowanej i inżynierskiej w Cornell Engineering i A&S, współautorzy artykułu. Obaj badacze są członkami Instytutu Kavli; przybyli do Cornell dzięki inicjatywie rektora Nanoskalowej Nauki i Inżynierii Mikrosystemów (NEXT Nano). Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawia siatkę mory ditellurku molibdenu i diselenku wolframu. (Zdj.: Yu-Tsun Shao i David Muller) Zespół postanowił zająć się tak zwanym efektem Kondo, nazwanym na cześć japońskiego fizyka teoretycznego Juna Kondo. Około sześćdziesiąt lat temu fizycy eksperymentalni odkryli, że biorąc metal i zastępując nawet niewielką liczbę atomów zanieczyszczeniami magnetycznymi, mogą rozproszyć elektrony przewodzące materiału i radykalnie zmienić jego rezystywność. Zjawisko to zaintrygowało fizyków, ale Kondo wyjaśnił je za pomocą modelu, który pokazał, w jaki sposób elektrony przewodzące mogą „ekranować” zanieczyszczenia magnetyczne, tak że spin elektronu paruje ze spinem zanieczyszczenia magnetycznego w przeciwnych kierunkach, tworząc singlet. Podczas gdy problem zanieczyszczeń Kondo jest obecnie dobrze rozumiany, problem sieci Kondo – z regularną siatką momentów magnetycznych zamiast losowych zanieczyszczeń magnetycznych – jest znacznie bardziej skomplikowany i nadal wprawia fizyków w zakłopotanie. Eksperymentalne badania problemu sieci Kondo obejmują zwykle związki międzymetaliczne pierwiastków ziem rzadkich, ale materiały te mają swoje własne ograniczenia. „Kiedy zejdziesz na sam dół układu okresowego, otrzymasz coś w rodzaju 70 elektronów w atomie” – powiedział Mak. „Struktura elektroniczna materiału staje się bardzo skomplikowana. Bardzo trudno jest opisać, co się dzieje, nawet bez interakcji z Kondo”. Naukowcy symulowali siatkę Kondo, układając w stos ultracienkie monowarstwy dwóch półprzewodników: ditellurek molibdenu, dostrojony do stanu izolującego Motta, oraz diselenek wolframu, który był domieszkowany wędrownymi elektronami przewodzącymi. Materiały te są znacznie prostsze niż nieporęczne związki międzymetaliczne i są ułożone w sprytny sposób. Obracając warstwy pod kątem 180 stopni, ich zachodzenie na siebie daje efekt mory, która zatrzymuje pojedyncze elektrony w maleńkich szczelinach, podobnie jak jaja w kartonie po jajkach. Ta konfiguracja pozwala uniknąć komplikacji dziesiątek elektronów mieszających się razem w pierwiastkach ziem rzadkich. I zamiast wymagać chemii do przygotowania regularnego układu momentów magnetycznych w związkach międzymetalicznych, uproszczona sieć Kondo potrzebuje tylko baterii. Kiedy napięcie jest przyłożone dokładnie, materiał jest uporządkowany w celu utworzenia siatki spinów, a kiedy wybiera się inne napięcie, spiny są gaszone, tworząc system z możliwością ciągłego przestrajania. „Wszystko staje się znacznie prostsze i bardziej kontrolowane” — powiedział Mak. Naukowcy byli w stanie w sposób ciągły dostrajać masę elektronów i gęstość spinów, czego nie można zrobić w konwencjonalnym materiale, i w trakcie tego procesu zaobserwowali, że elektrony ubrane w sieć spinową mogą stać się 10 do 20 razy cięższe niż „nagie” elektronów, w zależności od przyłożonego napięcia. Przestrajalność może również indukować kwantowe przejścia fazowe, w których ciężkie elektrony zamieniają się w lekkie elektrony, a pomiędzy nimi możliwe jest pojawienie się „dziwnej” fazy metalicznej, w której opór elektryczny rośnie liniowo wraz z temperaturą. Realizacja tego typu przejścia może być szczególnie przydatna do zrozumienia fenomenologii nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w tlenkach miedzi. „Nasze wyniki mogą stanowić laboratoryjny punkt odniesienia dla teoretyków” – powiedział Mak. „W fizyce materii skondensowanej teoretycy próbują poradzić sobie ze skomplikowanym problemem biliona oddziałujących elektronów. Byłoby wspaniale, gdyby nie musieli się martwić innymi komplikacjami, takimi jak chemia i materiałoznawstwo, w rzeczywistych materiałach. Dlatego często badają te materiały za pomocą modelu „sferycznej krowy” Kondo.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php