Den første observation af et marginalt Fermi -glas

For flere år, det fysiske samfund med kondenseret stof har forsøgt at få en bedre forståelse af materielle systemer, der består af stærkt interagerende partikler. Interessant nok, mange metaller kan beskrives som systemer med effektivt svagt interagerende elektroner, selvom interaktioner mellem elektroner typisk er ret stærke.

Elektroner har en ladning, og når de interagerer med andre elektroner, de påvirker hinanden indbyrdes. Ikke desto mindre, af forskellige årsager, i metaller ændrer disse interaktioner blot specifikke parametre (f.eks. elektroneffektive masse), men påvirker ikke den underliggende struktur i systemet, som virker som om den stadig indeholder frie elektroner (dvs. elektroner, der ikke er knyttet til atomer eller molekyler og dermed kan reagere på ydre kræfter). Denne observation blev teoretisk indrammet i forbindelse med det, der er kendt som "Landau Fermi -væsketeorien".

Forskere ved University of Illinois, Johns Hopkins University, CUNY College of Staten Island og University of Colorado Boulder har for nylig brugt en ny teknik, de udviklede til at undersøge muligheden for, at et stærkt uordentligt og stærkt korreleret og uordnet elektronsystem (dvs. fosfor-dopet silicium) kunne kortlægges til et system med ikke-interagerende og lokaliserede excitationer. Deres eksperimenter førte i sidste ende til observation af et unikt fænomen, som de kaldte marginalt Fermi -glas.

Disse forskeres undersøgelse bygger også på Phil Andersons arbejde, der vandt Nobelprisen i 1977 efter at have vist, at bølger ikke kunne forplante sig i systemer med tilstrækkelig stærk tilfældighed. Dette generiske bølgefænomen, nu kendt som Anderson -lokalisering, gælder mange typer bølger, herunder akustisk, elektromagnetiske og neutrale stofbølger.

I fortiden, nogle teoretikere har foreslået, at Anderson -lokalisering også gælder for elektroniske bølger (dvs. bølgerne, inden for hvilke elektroner formerer sig, i kvantemekanikens kontekst). Ikke desto mindre, gyldigheden af ​​denne forudsigelse er endnu ikke bekræftet, især i betragtning af at elektroner interagerer stærkt på grund af deres ladning.

"Stærk interagerende elektronbølger kan bestemt lokaliseres efter uorden, men om de gør det på en måde, der er i overensstemmelse med Anderson -lokalisering, er uklart, "Peter Armitage, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Interaktioner er stærke i en isolator, men det væsentlige spørgsmål er, om de reelt er irrelevante eller ej, som i mange metaller. Vores arbejde viser, for første gang, at de ikke er irrelevante. "

I det væsentlige, Armitage, Fahad Mahmood og deres kolleger opdagede de første eksperimentelle beviser, der tyder på, at Anderson -lokalisering ikke gælder for elektronbølger. For at udføre deres eksperimenter, de brugte en ny teknik, de udviklede, kaldet THz 2-D koherent spektroskopi. Denne teknik bygger på de seneste fremskridt inden for THz -teknologi, hvilket muliggjorde generering af meget store THz -område elektriske felter.

De store felter, der genereres af nye THz -teknologier, gør det muligt for forskere at indsamle målinger af THz optiske ikke -lineariteter. Ved hjælp af THz 2-D kohærent spektroskopi, forskerne ledte efter signaturen af ​​interaktioner mellem elektroner simpelthen ved at finde signaturen af ​​effektive interaktioner mellem de THz -fotoner, de brugte.

"Når et fysisk system er spændt, forlader en vis grad af den energi altid systemet, "Armitage forklaret." På grund af det faktum, at interaktioner kun mærkes svagt i de fleste metaller, i disse materialer, denne sats er meget lille. Imidlertid, ved hjælp af THz 2-D spektroskopi fandt vi ud af, at hastigheden i disse materialer ikke er lille, og er, faktisk, proportionel med frekvensen, der bruges til at ophidse systemet. "

Resultaterne tyder på, at excitationer i fosfor-dopet silicium og potentielt i andre lignende systemer ikke kan betragtes som 'svagt interagerende.' Ligesom med mange metaller, der er ingen beviser for en ikke-interagerende beskrivelse. På den anden side, de fandt ud af, at der er interaktioner i disse isolatorsystemer, men at deres styrke simpelthen er proportional med den frekvens, der bruges til at ophidse dem.

"Den fænomenologi, vi observerede, kan beskrives med udtrykket 'marginal Fermi -væske, "en tilstand, der blev foreslået at eksistere i materialer som den normale tilstand for cuprate superledere, den forståelse, som stadig undgår os, "Sagde Armitage.

Den nylige undersøgelse foretaget af dette team af forskere viser klart, at dopet silicium skal beskrives som et iboende stærkt interagerende system. I fremtiden, dette afgørende fund kunne inspirere andre teams til at udføre lignende eksperimenter, som i sidste ende kunne udvide den nuværende forståelse af andre uordnede elektronsystemer, såsom cuprate superledere.

"Vi anvender nu den samme teknik, der blev brugt i vores undersøgelse, til andre interessante kvantematerialer, såsom kvante -centrifugeringsvæsker, men vi arbejder også på at få yderligere oplysninger om det marginale Fermi -glas, "Sagde Armitage." Med hensyn til den adfærd, vi har fundet, der er også meget at forstå teoretisk. Vi håber, at teoretikere vil bruge sofistikerede teoretiske konstruktioner til at håndtere denne adfærd. "

© 2021 Science X Network