Ud over ligevægt:Forskere undersøger Floquet Fermi-væsker

Floquet Fermi-væsken

I en Fermi-væske er energitilstandene kontinuerlige, med fyldte energitilstande under Fermi-energien og tomme tilstande over den. Fermi-energiniveauet markerer det energiniveau, hvor sandsynligheden for at finde en fermiontilstand går fra næsten 100 % besat til næsten 0 % besat.

Ved absolut nul er alle tilstande op til Fermi-energien fyldt, og alle tilstande over den er tomme. Dette energiniveau definerer effektivt Fermi-overfladen i momentumrummet:et teoretisk koncept, der hjælper med at visualisere, hvad der sker inde i materien.

Når vi anvender en periodisk kraft på en Fermi-væske, modificeres dens normale energiniveauer til Floquet-bånd, som er de modificerede energiniveauer af Fermi-væsken på grund af drivkraften. Tænk på det som krusninger, der dannes på vandoverfladen.

Forskerne ønskede nu at forstå, hvad der sker, hvis dette system er drevet langt fra ligevægt. For at gøre det introducerede forskerne et fermionisk bad, som er et reservoir eller miljø sammensat af fermioner.

Forskerne fandt ud af, at den resulterende Fermi-væske er i en ikke-stabil triviel tilstand, kaldet en Floquet Fermi-væske. De fandt ud af, at den resulterende væske ikke fulgte den typiske FD-statistik.

FD-trappe og indlejrede overflader

I dette tilfælde anses FFL-tilstanden for ikke-triviel, fordi den opstår som et resultat af samspillet mellem periodiske drivkræfter, fermioniske interaktioner og det omgivende miljø.

I stedet for en jævn overgang i energitilstande, der ligner et enkelt spring, der typisk observeres i ligevægts-FD-fordelinger, viste besættelsen af ​​energitilstande et trappelignende mønster med flere spring.

"Hvert af disse hop fører til udseendet af en ny Fermi-overflade (Floquet Fermi-overfladen)," forklarede Dr. Shi.

"Floquet Fermi-overfladerne, der vises i FFL-tilstand, er lukket inde i hinanden," tilføjede Dr. Matsyshyn.

Tænk på det som lagdelte Fermi-overflader, der ligner en russisk rededukkesituation. Disse Floquent Fermi overflader påvirker det overordnede systems adfærd, hvilket giver anledning til specifikke fænomener.

Slagmønstre i kvanteoscillationer og styring af elektronisk adfærd

Kvanteoscillationer er periodiske ændringer i et materiales egenskaber, såsom modstand, som en funktion af eksterne parametre som magnetfelt eller tryk.

Forskerne observerede slagmønstre i kvanteoscillationerne under påvirkning af et eksternt magnetfelt i tilfælde af FFL'er.

Disse mønstre opstår på grund af interferensen mellem Floquet Fermi-overflader af forskellig størrelse, som er indlejret i hinanden. Tilstedeværelsen af ​​flere Floquet Fermi-overflader fører til konstruktive og destruktive interferenseffekter, hvilket resulterer i svingninger i modstanden.

"Slagmønstrene i kvanteoscillationerne er i overensstemmelse med observerede mikrobølge-inducerede modstandsoscillationer (MIRO) eksperimenter i todimensionelle elektronsystemer," forklarede Dr. Song.

De giver også et middel til at konstruere og skræddersy systemets elektroniske adfærd.

Dr. Villadiego sagde:"Tilstedeværelsen af ​​flere Fermi-overflader giver mulighed for større kontrol over systemets elektroniske egenskaber. Ved at justere lysets frekvens eller intensitet kan vi manipulere formen og adskillelsen af ​​Floquet Fermi-overfladerne."

Dette giver nye muligheder for at kontrollere elektronisk adfærd.

Potentielle applikationer og indsigt

En af de mest interessante lektioner, som forskerne påpeger, er, at steady state ikke skal ses, som Dr. Shi udtrykte det, som "en slags kedelig, lidt varmere version af ligevægts-FD-fordelingen."

"I stedet nærmer systemet sig en steady state, som har højere energitæthed end ligevægtstilstanden, men denne overskydende energi lagres ikke som en form for egenskabsløs varme, men fører i stedet til en meget præcis omarrangering af besættelsen af ​​tilstande, der bevarer en præcis kvantenatur," sagde Dr. Matsyshyn.

Forskerne fremlagde også betingelser eller kriterier, der skulle opfyldes for at realisere FFL eksperimentelt. De anførte også flere potentielle muligheder for fremtidigt arbejde, hvoraf en er det oprindelige spørgsmål om fotostrøm i bulkmaterialer.

"Ved at bruge vores Floquet Fermi flydende tilstand kan man strengt demonstrere, at det faktisk er muligt for selv rent monokromatisk lys at drive en netto ensrettet strøm, selv når dens frekvens er inden for mellemrummet," sagde Dr. Villadiego.

"Disse ideer kan være relevante for udviklingen af ​​nye optoelektroniske teknologier såsom lysforstærkere, sensorer, solceller og energihøstanordninger," konkluderede Dr. Song.

Flere oplysninger: Li-kun Shi et al., Floquet Fermi Liquid, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.146402. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.03268

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network