Ny mekanisme for elektronspredning i grafenlignende 2-D-materialer

At forstå, hvordan partikler opfører sig i tusmørkezonen mellem makroen og kvanteverdenen, giver os adgang til fascinerende fænomener-interessante både fra de fundamentale og anvendelsesorienterede fysikperspektiver. For eksempel, ultratynde grafenlignende materialer er en fantastisk legeplads til undersøgelse af elektroners transport og interaktioner. For nylig, forskere ved Center for Teoretisk Fysik i Komplekse Systemer (PCS), inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), i samarbejde med Rzhanov Institute of Semiconductor Physics (Rusland) har rapporteret om et nyt elektronspredningsfænomen i 2-D-materialer. Papiret udgives i Fysisk gennemgangsbreve .

Holdet overvejede en prøve, der består af to undersystemer:det ene lavet af partikler med heltalsspin (bosoner) og det andet lavet af partikler med halvtals-spin (fermioner).

For den bosoniske komponent, de modellerede en gas af excitoner (elektron-positronpar). Ved lave temperaturer, kvantemekanik kan tvinge et stort antal bosoniske partikler til at danne et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Denne tilstand er blevet rapporteret i forskellige materialer, i særdeleshed, galliumarsenid (GaA'er), og det er blevet forudsagt i molybdendisulfid (MoS ₂ ).

Det fermioniske undersystem er en 2-D elektrongas (2DEG), hvor elektroner er begrænset til at bevæge sig i to dimensioner. Det udviser spændende magnetiske og elektriske fænomener, herunder superledning, det er, strømmen uden modstand. Disse fænomener er relateret til elektronspredning, hvilket hovedsageligt skyldes urenheder og fononer. Sidstnævnte er vibrationer af krystalgitteret. Deres navn stammer fra det græske 'phonos, 'betyder lyd, da fononer med lang bølgelængde giver anledning til lyd, men de spiller også en rolle i metallers temperaturafhængige elektriske ledningsevne.

Bosoner og fermioner er meget forskellige på kvante niveau, så hvad sker der, når vi kombinerer BEC og 2DEG? Kristian Villegas, Meng Sun, Vadim Kovalev, og Ivan Savenko har modelleret elektrontransport i sådanne hybridsystemer.

Ud over de konventionelle fononer og urenheder, teamet beskrev en ukonventionel elektronspredningsmekanisme i BEC-2DEG hybridsystemer:en elektrones interaktion med en eller to Bogoliubov-kvanta (eller bogoloner)-ophidselser af BEC med små momenta. Selv om fononer og bogoloner deler nogle fælles træk, teamet fandt ud af, at de har vigtige forskelle.

Ifølge modellerne, i MoS i høj kvalitet ₂ ved et bestemt temperaturinterval, resistivitet forårsaget af par bogoloner viste sig at være dominerende over resistivitet forårsaget af enkelt bogoloner, akustiske fononer, enkelt-bogoloner, og urenheder. Årsagen til en sådan forskel er mekanismen for interaktion mellem elektroner og bogoloner, som er af elektrisk karakter, i modsætning til elektron-fonon interaktion beskrevet af deformationerne af prøven.

Denne forskning kan være nyttig til design af nye superledere med høj temperatur. Et tilsyneladende paradoks forbinder ledningsevne og superledning:dårlige ledere er normalt gode superledere. I tilfælde af elektron-fonon-interaktioner, nogle materialer, der viser dårlig ledningsevne, på grund af stærk spredning af elektroner med fononer, kan blive gode superledere ved meget lave temperaturer. Af samme grund, ædelmetaller, såsom guld, er gode ledere, men dårlige superledere. Hvis dette også gælder for elektron-bogolon-interaktioner, derefter antager forskerne, at det er at designe en dårlig leder, med høj resistivitet forårsaget af elektron-2 bogoloner-interaktioner, kan føre til "gode" superledere.

"Dette arbejde åbner ikke kun perspektiver i designet af hybridstrukturer med kontrollerbar spredning, den rapporterer om fundamentalt forskellig temperaturafhængighed af spredning ved lave og høje temperaturer og kaster lys over optisk styret kondensat-medieret superledning, "forklarer Ivan Savenko, leder af teamet Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) på PCS.