CSI Solid-State:Fingeraftrykkene af kvanteeffekter

I faststoffysik, den præcise interaktion mellem elektroner analyseres gennem omhyggeligt detektivarbejde, i sidste ende for at få en bedre forståelse af grundlæggende fysiske fænomener.

Det kommer ikke som nogen overraskelse for fans af thriller-genren, at for at løse en sag, fingeraftryk skal omhyggeligt lokaliseres på gerningsstedet. I moderne faststoffysik, videnskabsmænd leder efter spredningsprocesser - interaktioner mellem elektroner - der rummer de spor, der er nødvendige for at komme tættere på sandheden.

Det er især vanskeligt at afsløre disse afgørende tip i tilfælde af komplekse materialer, hvor mange elektroner spiller en rolle samtidigt. I såkaldte "mange-elektronsystemer, " billioner af elektroner kan forbindes med hinanden og udveksle energi og momentum. På Wiens teknologiske universitet, universitetet i Tübingen og École Polytechnique i Paris, forskere har gjort vigtige fremskridt:Ved hjælp af en præcis analyse, nye strukturer blev identificeret - karakteristiske mønstre i de komplicerede spredningsprocesser, der kan hjælpe med at "klare sagen."

Spredningsprocesser og materialeegenskaber

Blandt andre ejendomme Spredningsprocesser bestemmer ladningsbærernes mobilitet og styrer dermed, om systemet i sidste ende udviser en metallisk, isolerende eller endda superledende adfærd. Kort fortalt, disse matematiske størrelser afspejler, hvor stærkt elektronerne interagerer. Ved hjælp af omfattende computersimuleringer, forskere i kondenseret stof forsøger at fastgøre de fysiske egenskaber af mange-elektronsystemer, og i sidste ende besvare grundlæggende spørgsmål om faststoffysik, for eksempel:"Hvordan fungerer ukonventionelle superledere?" eller "Hvordan finder kvantefysiske faseovergange sted ved det absolutte nul?"

Et internationalt forskerhold, herunder gruppen af ​​professor Alessandro Toschi (Patrick Chalupa, Matthias Reitner og Daniel Springer) fra TU Wien, Professor Sabine Andergassen fra universitetet i Tübingen og Thomas Schäfer fra École Polytechnique i Paris, har gjort vigtige fremskridt i denne henseende. En dybdegående analyse af spredningsprocesserne og deres sammenligning i forskellige fysiske situationer gjorde det muligt at identificere tydelige "fingeraftryk". Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Nye forbindelser afsløret

Svarende til retsmedicinere på et gerningssted, forskerne forsøgte at forbinde mange små detaljer for at se det større billede. Det lykkedes dem at identificere karakteristiske strukturer i de komplekse matematiske størrelser, der beskriver spredningsprocesserne, og at relatere disse strukturer til to grundlæggende fænomener i faststoffysikken. Disse fundamentale fænomener viste sig at være dannelsen af ​​lokale magnetiske momenter såvel som deres screening på grund af den såkaldte Kondo-effekt, som begge afgørende styrer elektronernes mobilitet. Denne nye forbindelse giver mulighed for at genkende de relevante fysiske effekter i de komplekse spredningsprocesser med blot et enkelt blik. Ved at identificere disse "fingeraftryk, "Det var endda muligt at opdage et alternativt kriterium til at bestemme en af ​​de mest fundamentale energiskalaer i teoretisk faststoffysik:Kondo-temperaturen.

Til sidst, disse fund kunne kaste nyt lys over tidligere uløste mysterier i faststoffysik, for eksempel, kvantekriticitet i tunge fermionsystemer, ukonventionel superledning i stærkt korrelerede kvantematerialer og overraskende magnetiske fænomener i overgangsmetaloxider. Den korrekte bestemmelse af de underliggende kvantefingeraftryk kunne sætte forskningen på rette vej til at forstå disse systemer på et grundlæggende niveau.