Observationen af ​​Bloch ferromagnetisme i sammensatte fermioner

Sammensatte fermioner er eksotiske kvasipartikler, der findes i interaktive 2-D fermionsystemer ved relativt store vinkelrette magnetfelter. Disse kvasipartikler, som er sammensat af en elektron og to magnetiske fluxkvanta, er ofte blevet brugt til at beskrive et fysisk fænomen kendt som fraktioneret quantum Hall -effekt.

Forskere ved Princeton University og Pennsylvania State University brugte for nylig sammensatte fermioner til at teste en teori introduceret af fysikeren Felix Bloch for næsten et århundrede siden, tyder på, at ved meget lave tætheder, et paramagnetisk Fermi "hav" af elektroner skal spontant overgå til en fuldt magnetiseret tilstand, som nu omtales som Bloch ferromagnetisme. Deres papir, udgivet i Naturfysik , giver bevis på en brat overgang til fuld magnetisering, der er tæt på linje med den tilstand, som Bloch har teoretiseret.

"Sammensatte fermioner er virkelig bemærkelsesværdige, "Mansour Shayegan, professor i elektroteknik ved Princeton University og en af ​​de forskere, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "De er født af interaktion og magnetisk flux, og alligevel kortlægger de et så komplekst system til en simpel samling af kvasipartikler, der i høj grad opfører sig som ikke-interagerende og også opfører sig, som om de ikke mærker det store magnetfelt. En af deres mest interessante egenskaber er deres spinpolarisering. "

Når stærke magnetfelter påføres dem, og Zeeman -energien er fremherskende, sammensatte fermioner er kendt for at blive fuldt spinpolariserede (dvs. fuldt magnetiseret). Ved lavere magnetfelter, på den anden side, de er typisk kun delvist magnetiserede, da Coulomb -energien spiller en betydeligt større rolle.

Fascineret over denne unikke egenskab ved sammensatte fermioner, Shayegan og hans kolleger satte sig for at undersøge og undersøge det nærmere. At gøre dette, de brugte en teknik til direkte måling af spinpolarisering, der er afhængig af ballistisk (kollisionsfri) transport af sammensatte fermioner over relativt lange afstande, i størrelsesordenen 0,2 mikron.

"Vi så, at da vi sænkede tætheden af ​​sammensatte fermioner (og dermed det magnetiske felt, hvorved de dannes), de mistede faktisk deres fulde spin -polarisering, som forventet, "Sagde Shayegan." Men så kom en helt uventet overraskelse:Da vi sænkede tætheden endnu mere, lige pludselig, de sammensatte fermioner blev fuldstændig spinpolariserede igen. Vi havde en anelse om, at dette kan være et resultat af den svage 'resterende' interaktion mellem de sammensatte fermioner, men vi kunne ikke bevise det. "

Hvis fænomenet observeret af Shayegan og hans team gør, faktisk, skyldes de svage resterende interaktioner mellem forskellige sammensatte fermioner, dette fænomen ville i høj grad minde om Bloch ferromagnetisme, den tilstand, som Bloch forudsagde i 1929. Bemærkelsesværdigt, denne effekt har hidtil vist sig at være meget vanskelig at demonstrere eksperimentelt.

"En nøgle til succesen med vores eksperimenter var tilgængeligheden af ​​modulationsdopet, gallium-arsenid/aluminium-gallium-arsenid halvlederstrukturer af ekstrem høj kvalitet, "Sagde Shayegan." Disse blev vokset, ved hjælp af molekylær stråleepitaxy af vores Princeton -kollega Loren Pfeiffer og hans gruppe. "

For at få større indsigt i, om det fænomen, de observerede, faktisk var sammenligneligt med Bloch-ferromagnetisme, Shayegan og hans team nåede ud til Jainendra Jain, en teoretisk fysiker ved Pennsylvania State University. Jain og hans elever, Tongzhou Zhao og Songyang Pu, foretaget en række beregninger med det formål at fastslå validiteten af ​​forskernes hypotese.

"Da mine Princeton-kolleger første gang fortalte mig om deres eksperimentelle resultat, det kom som en total overraskelse, "Jain sagde." Modellen af ​​gratis sammensatte fermioner fungerer så godt for deres Fermi-hav på det halvfyldte Landau-niveau, at jeg ikke forventede Bloch-typefysik her; sådan adfærd blev bestemt ikke forudsagt af nogen eksisterende teori. Dette er et meget komplekst problem at tackle teoretisk, fordi det relaterer sig til meget små ændringer i energi som funktion af tætheden."

For at få en teoretisk forståelse af fænomenet observeret af Shayegan og hans team, Jain og hans elever brugte et værktøj kendt som 'fastfasediffusion Monte Carlo'-metoden. Da de anvendte denne teoretiske konstruktion på det aktuelle problem, de fandt ud af, at den ferromagnetiske tilstand var dominerende under en kritisk densitet.

I øvrigt, Jain og hans elever fandt ud af, at den kritiske densitetsværdi, der stammer fra deres beregninger, var tæt på den værdi, som deres kolleger i Princeton observerede. Deres resultater understøtter således hypotesen om, at den observerede tilstand ligner Bloch ferromagnetisme.

"Den underliggende fysik viste sig at ligne den for elektroner ved nul magnetisk felt, "Jain forklarede." Interaktionsenergien for sammensatte fermioner foretrækker den ferromagnetiske tilstand, mens deres kinetiske energi den paramagnetiske tilstand. Når tætheden sænkes, på et tidspunkt vinder interaktionsenergien, forårsager en overgang til en fuldt ferromagnetisk fase. "

Simple systemer med interagerende elektroner er meget almindelige og interagerende fermioner findes i alle metaller, så disse systemer har ofte været i fokus for fysikstudier. Selvom de er blevet bredt undersøgt, Bloch ferromagnetisme i disse systemer er endnu ikke blevet tydeligt observeret.

Dette team af forskere var blandt de første til at observere en effekt, der ligner Bloch ferromagnetisme. I øvrigt, de observerede denne effekt i et usædvanligt sæt af kvasi-partikler (dvs. et Fermi hav af sammensatte fermioner), hvilket var overraskende og uventet.

"Teorien om sammensatte fermioner er veletableret, "Md Shafayat Hossain, undersøgelsens hovedforfatter, fortalte Phys.org. "Det meste fænomenologi i teori og eksperimenter, der involverer de sammensatte fermioner, kan forstås uden nogen interaktion mellem de sammensatte fermioner. Derfor, dette er måske den sidste platform, hvor man forventer at finde signaturer af stærke interaktioner. Overraskende nok, imidlertid, vores eksperimenter afslører, at de sammensatte fermioner gennemgår Bloch ferromagnetisme, som er en prototypisk manifestation af stærk inter-fermion interaktion. "

Det seneste arbejde af Shayegan, Jain, Hossain og deres kolleger gav en række interessante resultater, som har vigtige konsekvenser både for undersøgelsen af ​​Bloch ferromagnetisme og sammensatte fermioner. På den ene side, det demonstrerer eksistensen af ​​en interaktionsinduceret overgang til ferromagnetisme, der er på linje med det fænomen, som blev forudsagt af Bloch i 1929.

På den anden side, det seneste papir forbedrer den nuværende forståelse af sammensatte fermioner, da det viser, at ved meget lave tætheder kan disse kvasi-partikler have stærke interaktioner med hinanden. I deres næste studier, forskerne planlægger at fortsætte med at søge efter Bloch ferromagnetisme i fermioner, specifikt under forhold kendetegnet ved nul magnetfelt.

"Når et elektronsystem gøres tilstrækkeligt fortyndet, så Coulomb-energien dominerer over den kinetiske (Fermi) energi, elektronerne skal justere deres spins og blive fuldt magnetiseret, "Sagde Shayegan." Dette er det oprindelige problem, som Bloch, og senere på Edmund Stoner (i 1947), og andre diskuterede; en klassiker, lærebogsproblem, der har unddraget sig eksperimenter. Den eksperimentelle udfordring er at gøre elektronsystemet meget fortyndet, og alligevel holde uordenspotentialet (der konkurrerer med Coulomb -interaktionen og ønsker at presse elektroner på tilfældige steder) til et minimumsniveau. Vi tænker med nyt, modulationsdopede elektronsystemer, der er en chance for endelig at sømme Bloch-overgangen efter nulfeltelektroner. "

© 2020 Science X Network