Halvledargitter förenar elektroner och magnetiska moment

22 mars 2023 (Nanowerk Nyheter) Ett modellsystem skapat genom att stapla ett par monolagerhalvledare ger fysiker ett enklare sätt att studera förvirrande kvantbeteende, från tunga fermioner till exotiska kvantfasövergångar. Gruppens tidning publicerad i Natur ("Gate-tunerbara tunga fermioner i ett Moiré Kondo-galler"). Huvudförfattare är postdoktor Wenjin Zhao vid Kavli-institutet i Cornell. Projektet leddes av Kin Fai Mak, professor i fysik vid College of Arts and Sciences, och Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik i Cornell Engineering och i A&S, tidningens medförfattare. Båda forskarna är medlemmar i Kavliinstitutet; de kom till Cornell genom provostens Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) initiativ. En bild av ett transmissionselektronmikroskop visar moirégittret av molybdenditellurid och volframdiselenid. (Bild: Yu-Tsun Shao och David Muller) Teamet satte sig för att ta itu med vad som kallas Kondo-effekten, uppkallad efter den japanske teoretiska fysikern Jun Kondo. För ungefär sex decennier sedan upptäckte experimentella fysiker att genom att ta en metall och ersätta till och med ett litet antal atomer med magnetiska föroreningar, kunde de sprida materialets ledningselektroner och radikalt förändra dess resistivitet. Det fenomenet förbryllade fysiker, men Kondo förklarade det med en modell som visade hur ledningselektroner kan "skärma" de magnetiska föroreningarna, så att elektronspinnet parar sig med spinnet av en magnetisk förorening i motsatta riktningar och bildar en singlett. Även om Kondo-föroreningsproblemet nu är väl förstått, är Kondo-gitterproblemet – ett med ett regelbundet gitter av magnetiska moment istället för slumpmässiga magnetiska föroreningar – mycket mer komplicerat och fortsätter att störa fysiker. Experimentella studier av Kondo-gitterproblemet involverar vanligtvis intermetalliska föreningar av sällsynta jordartsmetaller, men dessa material har sina egna begränsningar. "När du rör dig hela vägen ner till botten av det periodiska systemet, hamnar du med något i stil med 70 elektroner i en atom," sa Mak. – Materialets elektroniska struktur blir så komplicerad. Det är väldigt svårt att beskriva vad som händer även utan Kondo-interaktioner.” Forskarna simulerade Kondo-gittret genom att stapla ultratunna monolager av två halvledare: molybdenditellurid, avstämt till ett Mott-isolerande tillstånd, och volframdiselenid, som var dopat med ambulerande ledningselektroner. Dessa material är mycket enklare än skrymmande intermetalliska föreningar, och de är staplade med en smart twist. Genom att rotera lagren i en 180-graders vinkel resulterar deras överlappning i ett moiré-gittermönster som fångar individuella elektroner i små slitsar, liknande ägg i en äggkartong. Denna konfiguration undviker komplikationen av dussintals elektroner som blandas ihop i de sällsynta jordartsmetallerna. Och istället för att kräva kemi för att förbereda den vanliga uppsättningen av magnetiska moment i de intermetalliska föreningarna, behöver det förenklade Kondo-gittret bara ett batteri. När en spänning appliceras helt rätt, ordnas materialet till att bilda ett gitter av spinn, och när man slår till en annan spänning släcks spinnen, vilket ger ett kontinuerligt avstämbart system. "Allt blir mycket enklare och mycket mer kontrollerbart," sa Mak. Forskarna kunde kontinuerligt justera spinnens elektronmassa och densitet, vilket inte kan göras i ett konventionellt material, och i processen observerade de att elektronerna klädda med spinngittret kan bli 10 till 20 gånger tyngre än de "bara ” elektroner, beroende på vilken spänning som appliceras. Stämbarheten kan också inducera kvantfasövergångar där tunga elektroner förvandlas till lätta elektroner med, däremellan, möjlig uppkomst av en "konstig" metallfas, där det elektriska motståndet ökar linjärt med temperaturen. Förverkligandet av denna typ av övergång kan vara särskilt användbart för att förstå fenomenologin med hög temperatur supraledande i kopparoxider. "Våra resultat kan utgöra ett laboratorieriktmärke för teoretiker," sa Mak. "Inom den kondenserade materiens fysik försöker teoretiker att hantera det komplicerade problemet med en biljon interagerande elektroner. Det skulle vara bra om de inte behöver oroa sig för andra komplikationer, såsom kemi och materialvetenskap, i verkliga material. Så de studerar ofta dessa material med en "sfärisk ko" Kondo gittermodell.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php