Nanomaterialteori beskriver stærkt korrelerede elektroner i kvanteprikker

Forskere fra Osaka City University har udviklet matematiske formler til at beskrive strømmen og fluktuationerne af stærkt korrelerede elektroner i kvanteprikker. Deres teoretiske forudsigelser kunne snart testes eksperimentelt.

Teoretiske fysikere Yoshimichi Teratani og Akira Oguri fra Osaka City University, og Rui Sakano fra University of Tokyo har udviklet matematiske formler, der beskriver et fysisk fænomen, der sker inden for kvanteprikker og andre materialer i nanostørrelse. Formlerne, offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , kunne anvendes til yderligere teoretisk forskning om kvanteprikkernes fysik, ultrakolde atomare gasser, og kvarker.

Det drejer sig om Kondo-effekten. Denne effekt blev først beskrevet i 1964 af den japanske teoretiske fysiker Jun Kondo i nogle magnetiske materialer, men nu ser det ud til at ske i mange andre systemer, inklusive kvanteprikker og andre nanoskala materialer.

Normalt, elektrisk modstand falder i metaller, når temperaturen falder. Men i metaller, der indeholder magnetiske urenheder, dette sker kun ned til en kritisk temperatur, ud over hvilken modstand stiger med faldende temperaturer.

Forskere var til sidst i stand til at vise, at ved meget lave temperaturer nær det absolutte nulpunkt, elektronspin bliver viklet ind i de magnetiske urenheder, danner en sky, der skærmer deres magnetisme. Skyens form ændrer sig med yderligere temperaturfald, fører til øget modstand. Den samme effekt sker, når andre eksterne "forstyrrelser, "såsom en spænding eller magnetisk felt, påføres metallet.

Teratani, Sakano og Oguri ønskede at udvikle matematiske formler til at beskrive udviklingen af ​​denne sky i kvanteprikker og andre nanoskala materialer, hvilket ikke er en let opgave.

For at beskrive et så komplekst kvantesystem, de startede med et system ved det absolutte nulpunkt, hvor en veletableret teoretisk model, nemlig Fermi væsketeori, for interagerende elektroner er anvendelig. De tilføjede derefter en 'korrektion', der beskriver et andet aspekt af systemet mod eksterne forstyrrelser. Ved at bruge denne teknik, de skrev formler, der beskrev elektrisk strøm og dens udsving gennem kvanteprikker.

Deres formler indikerer, at elektroner interagerer i disse systemer på to forskellige måder, der bidrager til Kondo-effekten. Først, to elektroner kolliderer med hinanden,

danner veldefinerede kvasipartikler, der forplanter sig i Kondo-skyen. Mere markant, der opstår en interaktion kaldet et tre-krops bidrag. Dette er når to elektroner kombineres i nærvær af en tredje elektron, forårsager et energiskift af kvasipartikler.

"Formlernes forudsigelser kan snart undersøges eksperimentelt, Oguri siger. "Undersøgelser i stil med denne forskning er kun lige begyndt, " tilføjer han.

Formlerne kunne også udvides til at forstå andre kvantefænomener, såsom kvantepartikelbevægelse gennem kvanteprikker forbundet til superledere. Kvanteprikker kunne være en nøgle til at realisere kvanteinformationsteknologier, såsom kvantecomputere og kvantekommunikation.