Definition af Hund-fysiklandskabet af to-orbitalsystemer

Elektroner er allestedsnærværende blandt atomer, subatomære tokens af energi, der uafhængigt kan ændre, hvordan et system opfører sig - men de kan også ændre hinanden. Et internationalt forskningssamarbejde viste, at kollektiv måling af elektroner afslørede unikke og uforudsete fund. Forskerne offentliggjorde deres resultater den 17. maj i Fysisk gennemgangsbreve .

"Det er ikke muligt at opnå løsningen bare ved at spore opførselen af ​​hver enkelt elektron, " sagde papirforfatter Myung Joon Han, professor i fysik ved KAIST. "I stedet, man skal beskrive eller spore alle de sammenfiltrede elektroner på én gang. Dette kræver en smart måde at behandle denne sammenfiltring på."

Professor Han og forskerne brugte en nyligt udviklet "mange-partikel" teori til at redegøre for elektronernes sammenfiltrede natur i faste stoffer, som tilnærmer, hvordan elektroner lokalt interagerer med hinanden for at forudsige deres globale aktivitet.

Gennem denne tilgang, forskerne undersøgte systemer med to orbitaler - det rum, hvor elektroner kan bebo. De fandt ud af, at elektronerne låste sig ind i parallelle arrangementer inden for atomsteder i faste stoffer. Dette fænomen, kendt som Hunds kobling, resulterer i en Hund's metal. Denne metalliske fase, som kan give anledning til egenskaber som superledning, mentes kun at eksistere i tre-orbitale systemer.

"Vores fund vælter et konventionelt synspunkt om, at der skal mindst tre orbitaler til for at Hunds metallicitet kan komme frem, " sagde professor Han, bemærker, at to-orbitale systemer ikke har været et fokus for opmærksomhed for mange fysikere. "Ud over dette fund af en Hunds metal, vi identificerede forskellige metalliske regimer, der naturligt kan forekomme i generiske, korrelerede elektronmaterialer."

Forskerne fandt fire forskellige korrelerede metaller. Den ene stammer fra nærheden til en Mott-isolator, en tilstand af et fast materiale, der burde være ledende, men som faktisk forhindrer ledning på grund af, hvordan elektronerne interagerer. De andre tre metaller dannes, når elektroner justerer deres magnetiske momenter - eller faser til at producere et magnetfelt - i forskellige afstande fra Mott-isolatoren. Ud over at identificere metalfaserne, forskerne foreslog også klassificeringskriterier for at definere hver metalfase i andre systemer.

"Denne forskning vil hjælpe forskere med bedre at karakterisere og forstå den dybere natur af såkaldte "stærkt korrelerede materialer", "hvor standardteorien om faste stoffer bryder sammen på grund af tilstedeværelsen af ​​stærke Coulomb-interaktioner mellem elektroner, " sagde professor Han, henviser til den kraft, hvormed elektronerne tiltrækker eller frastøder hinanden. Disse interaktioner er typisk ikke til stede i faste materialer, men forekommer i materialer med metalliske faser.

Afsløringen af ​​metaller i to-orbitale systemer og evnen til at bestemme hele systemets elektronadfærd kan føre til endnu flere opdagelser, ifølge professor Han.

"Dette vil i sidste ende gøre os i stand til at manipulere og kontrollere en række elektronkorrelationsfænomener, " sagde professor Han.