Eksperimenter i snoede, lagdelte kvantematerialer giver et nyt billede af, hvordan elektroner opfører sig

Et nyligt eksperiment beskrevet i tidsskriftet Nature udfordrer vores billede af, hvordan elektroner opfører sig i kvantematerialer. Ved at bruge stablede lag af et materiale kaldet wolframditellurid har forskere observeret elektroner i to dimensioner, der opfører sig, som om de var i en enkelt dimension - og i processen har de skabt, hvad forskerne hævder er en ny elektronisk stoftilstand.

"Dette er virkelig en helt ny horisont," sagde Sanfeng Wu, assisterende professor i fysik ved Princeton University og seniorforfatter af papiret. "Vi var i stand til at skabe en ny elektronisk fase med dette eksperiment - dybest set en ny type metallisk tilstand."

Vores nuværende forståelse af opførselen af ​​interagerende elektroner i metaller kan beskrives af en teori, der fungerer godt sammen med to- og tredimensionelle systemer, men bryder sammen, når vi beskriver interaktionen mellem elektroner i en enkelt dimension.

"Denne teori beskriver størstedelen af ​​de metaller, vi kender," sagde Wu. "Den siger, at elektroner i metal, selvom de er stærkt interagerende, bør opføre sig som frie elektroner, bortset fra at de kan have forskellige værdier i nogle karakteristiske størrelser, såsom massen og magnetisk moment."

I endimensionelle systemer giver denne "Fermi-væsketeori" imidlertid plads til en anden teori, "Luttinger-væsketeorien", for at beskrive interaktionen mellem elektroner.

"Luttingers væsketeori giver et grundlæggende udgangspunkt for at forstå interagerende elektroner i én dimension," sagde Wu. "Elektroner i et endimensionelt gitter er så stærkt korrelerede med hinanden, at de på en måde begynder ikke at fungere som frie elektroner."

Fermi væsketeorien blev først fremsat af nobelprisvinderen L.D. Landau. Luttingers teori gennemgik en lang proces med forfining, før den blev bredt accepteret af fysikere. En teoretisk model blev først foreslået af den japanske nobelprisvinder Shinichiro Tomonaga i 1950'erne, sagde Wu, og blev selvstændigt formuleret af J.M. Luttinger senere i 1963.

Luttinger leverede imidlertid en utilstrækkelig løsning, og derfor tog Princeton-matematiker og fysiker Elliott Lieb, i dag Eugene Higgins-professor i fysik, emeritus, udfordringen op i 1965 og gav til sidst en korrekt løsning. En anden fysiker og nobelprismodtager, F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysik, brugte derefter modellen i 1981 til at forstå interaktionseffekterne af endimensionelle metaller. Haldane opfandt udtrykket "Luttinger væsker" og lagde grundlaget for den moderne teori om Luttinger væsker som en generel beskrivelse af endimensionelle metaller.

I lang tid har disse to teorier - Fermi-væsketeorien og Luttinger-væsketeorien - været centrale i vores forståelse af elektronernes opførsel i kondenseret stofs fysik i henhold til deres dimensionalitet.

Men der har været antydninger om, at elektronernes interaktioner er meget mere komplekse end denne simple klassifikation. Philip Anderson, en anden nobelprisvinder og Princeton-fysiker, foreslog i 1990'erne, at der kunne være visse "eksotiske" tilfælde, hvor elektronernes adfærd i todimensionelle systemer i sjældne tilfælde også kunne følge forudsigelserne fra Luttingers væsketeori. Med andre ord, selvom elektronerne i todimensionelle systemer typisk forklares af Fermi-væsketeorien, spekulerede Anderson på, om disse elektroner kontraintuitivt kunne opføre sig som en Luttinger-væske, som om de var i et endimensionelt system.

Dette var stort set hypotetisk. Der var ingen eksperimenter, der kunne forbindes med disse eksotiske sager, sagde Wu.

Indtil nu.

Gennem eksperimenter opdagede Wu og hans team, at elektroner i en specielt skabt todimensionel materialestruktur, når de blev afkølet til meget lave temperaturer, pludselig begyndte at opføre sig som forudsagt af Luttingers væsketeori. Med andre ord optrådte de som korrelerede elektroner i en endimensionel tilstand.

Forskerne udførte deres eksperiment ved hjælp af et materiale kaldet wolfram ditelluride (WTe₂ ), et lagdelt halvmetal. Et halvmetal er en forbindelse, der har mellemliggende egenskaber, der placerer det mellem metaller og isolatorer. Princeton-forskerne Leslie Schoop, assisterende professor i kemi, og Robert Cava, Russell Wellman Moore-professoren i kemi, og deres teams skabte wolfram-ditellurid-krystaller af højeste kvalitet. Wus team skabte derefter enkelte atomlag af dette materiale og stablede to af dem sammen lodret til undersøgelsen.

"Vi stablede monolag af wolfram-ditellurid oven på hinanden og brugte en vinkeldrejning på enten 5 eller 6 grader," sagde Pengjie Wang, medførsteforfatter af papiret og en postdoktoral forskningsmedarbejder. Dette skabte et stort rektangulært gitter kaldet et moiré-mønster, som ligner et almindeligt fransk tekstildesign.

Holdet havde oprindeligt tænkt sig at observere, hvordan vridningsvinklen ville påvirke de andre typer kvantefænomener i wolfram-ditelluridet. Men det, de fandt, forbavsede dem.

"I begyndelsen var vi forvirrede over resultaterne," sagde Wang. "Men det viste sig at være rigtigt."

Forskerne observerede, at elektronerne, i stedet for at virke frit, begyndte at samle sig stærkt i en lineær matrix, der indikerer elektroner i et endimensionelt system.

"Det, du har her, er i virkeligheden en todimensionel metallisk tilstand, som ikke er beskrevet af Fermi-standardvæsketeorien," sagde Wu. "For første gang finder vi en helt ny elektronisk fase af stof i to dimensioner beskrevet af Luttingers væsketeori."

Guo Yu, medførsteforfatter på papiret og en kandidatstuderende i elektro- og computerteknik, beskrev materialets egenskaber som bemærkelsesværdigt omskiftelige mellem enten ensartet i alle retninger (isotropisk) eller stærkt varierende i fysiske egenskaber, når de måles i forskellige retninger ( anisotropisk).

"Hvad der er unikt for vores snoede tolags wolfram ditellurid system er, at i modsætning til de fleste andre monolag materialer og deres moiré supergitter, som er isotrope, er moiré mønsteret i vores prøve meget anisotropt, afgørende for at være vært for den endimensionelle fysik," Yu sagde.

En ny metallisk fase kunne lyde som om den ville have adskillige praktiske anvendelser, men Wu advarede om, at dette er foreløbig forskning. Før sådanne ansøgninger kan realiseres, sagde han, skal der udføres yderligere arbejde.

Ikke desto mindre er Wu optimistisk med hensyn til fremtiden. "Dette kan hjælpe med at åbne et helt nyt vindue til at se på nye kvantefaser af stof," sagde han. "I de kommende år vil vi se en masse nye resultater, der kommer ud af denne forskning." + Udforsk yderligere

Opførsel af "fangede" elektroner i en endimensionel verden observeret i laboratoriet