22-mar-2023 (Noticias de Nanowerk) Un sistema modelo creado mediante el apilamiento de un par de semiconductores monocapa ofrece a los físicos una forma más sencilla de estudiar el comportamiento cuántico confuso, desde fermiones pesados hasta transiciones de fase cuánticas exóticas. El artículo del grupo publicado en Naturaleza (“Fermiones pesados sintonizables por puerta en una red Moiré Kondo”). El autor principal es el becario postdoctoral Wenjin Zhao en el Instituto Kavli de Cornell. El proyecto fue dirigido por Kin Fai Mak, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, y Jie Shan, profesor de física aplicada e ingeniería en Cornell Engineering y en A&S, los coautores principales del artículo. Ambos investigadores son miembros del Instituto Kavli; llegaron a Cornell a través de la iniciativa Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) del preboste.
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra la red muaré de ditellurida de molibdeno y diseleniuro de tungsteno. (Imagen: Yu-Tsun Shao y David Muller) El equipo se dispuso a abordar lo que se conoce como el efecto Kondo, llamado así por el físico teórico japonés Jun Kondo. Hace unas seis décadas, los físicos experimentales descubrieron que al tomar un metal y sustituir incluso una pequeña cantidad de átomos con impurezas magnéticas, podían dispersar los electrones de conducción del material y alterar radicalmente su resistividad.
Ese fenómeno desconcertó a los físicos, pero Kondo lo explicó con un modelo que mostraba cómo los electrones de conducción pueden "proteger" las impurezas magnéticas, de modo que el espín del electrón se empareja con el espín de una impureza magnética en direcciones opuestas, formando un singlete.
Si bien el problema de las impurezas de Kondo ahora se comprende bien, el problema de la red de Kondo, uno con una red regular de momentos magnéticos en lugar de impurezas magnéticas aleatorias, es mucho más complicado y continúa desconcertando a los físicos. Los estudios experimentales del problema de la red de Kondo generalmente involucran compuestos intermetálicos de elementos de tierras raras, pero estos materiales tienen sus propias limitaciones.
“Cuando te mueves hasta el final de la tabla periódica, terminas con algo así como 70 electrones en un átomo”, dijo Mak. “La estructura electrónica del material se vuelve tan complicada. Es muy difícil describir lo que sucede incluso sin las interacciones de Kondo”. Los investigadores simularon la red de Kondo apilando monocapas ultrafinas de dos semiconductores: ditelururo de molibdeno, sintonizado en un estado aislante de Mott, y diseleniuro de tungsteno, dopado con electrones de conducción itinerantes. Estos materiales son mucho más simples que los compuestos intermetálicos voluminosos y se apilan con un ingenioso giro. Al rotar las capas en un ángulo de 180 grados, su superposición da como resultado un patrón de celosía muaré que atrapa electrones individuales en pequeñas ranuras, similar a los huevos en un cartón de huevos.
Esta configuración evita la complicación de docenas de electrones mezclados en los elementos de tierras raras. Y en lugar de requerir química para preparar la matriz regular de momentos magnéticos en los compuestos intermetálicos, la red Kondo simplificada solo necesita una batería. Cuando se aplica un voltaje justo, el material se ordena para formar una red de giros, y cuando uno marca un voltaje diferente, los giros se apagan, produciendo un sistema continuamente sintonizable.
“Todo se vuelve mucho más simple y mucho más controlable”, dijo Mak.
Los investigadores pudieron ajustar continuamente la masa de electrones y la densidad de los espines, lo que no se puede hacer en un material convencional, y en el proceso observaron que los electrones revestidos con la red de espines pueden volverse de 10 a 20 veces más pesados que los "electrones desnudos". ” electrones, dependiendo del voltaje aplicado.
La capacidad de ajuste también puede inducir transiciones de fase cuántica en las que los electrones pesados se convierten en electrones ligeros con, en el medio, la posible aparición de una fase metálica "extraña", en la que la resistencia eléctrica aumenta linealmente con la temperatura. La realización de este tipo de transición podría ser particularmente útil para comprender la fenomenología superconductora de alta temperatura en óxidos de cobre.
“Nuestros resultados podrían proporcionar un punto de referencia de laboratorio para los teóricos”, dijo Mak. “En la física de la materia condensada, los teóricos están tratando de lidiar con el complicado problema de un billón de electrones interactuando. Sería genial si no tuvieran que preocuparse por otras complicaciones, como la química y la ciencia de los materiales, en materiales reales. Por lo tanto, a menudo estudian estos materiales con un modelo de celosía Kondo de 'vaca esférica'.
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra la red muaré de ditellurida de molibdeno y diseleniuro de tungsteno. (Imagen: Yu-Tsun Shao y David Muller) El equipo se dispuso a abordar lo que se conoce como el efecto Kondo, llamado así por el físico teórico japonés Jun Kondo. Hace unas seis décadas, los físicos experimentales descubrieron que al tomar un metal y sustituir incluso una pequeña cantidad de átomos con impurezas magnéticas, podían dispersar los electrones de conducción del material y alterar radicalmente su resistividad.
Ese fenómeno desconcertó a los físicos, pero Kondo lo explicó con un modelo que mostraba cómo los electrones de conducción pueden "proteger" las impurezas magnéticas, de modo que el espín del electrón se empareja con el espín de una impureza magnética en direcciones opuestas, formando un singlete.
Si bien el problema de las impurezas de Kondo ahora se comprende bien, el problema de la red de Kondo, uno con una red regular de momentos magnéticos en lugar de impurezas magnéticas aleatorias, es mucho más complicado y continúa desconcertando a los físicos. Los estudios experimentales del problema de la red de Kondo generalmente involucran compuestos intermetálicos de elementos de tierras raras, pero estos materiales tienen sus propias limitaciones.
“Cuando te mueves hasta el final de la tabla periódica, terminas con algo así como 70 electrones en un átomo”, dijo Mak. “La estructura electrónica del material se vuelve tan complicada. Es muy difícil describir lo que sucede incluso sin las interacciones de Kondo”. Los investigadores simularon la red de Kondo apilando monocapas ultrafinas de dos semiconductores: ditelururo de molibdeno, sintonizado en un estado aislante de Mott, y diseleniuro de tungsteno, dopado con electrones de conducción itinerantes. Estos materiales son mucho más simples que los compuestos intermetálicos voluminosos y se apilan con un ingenioso giro. Al rotar las capas en un ángulo de 180 grados, su superposición da como resultado un patrón de celosía muaré que atrapa electrones individuales en pequeñas ranuras, similar a los huevos en un cartón de huevos.
Esta configuración evita la complicación de docenas de electrones mezclados en los elementos de tierras raras. Y en lugar de requerir química para preparar la matriz regular de momentos magnéticos en los compuestos intermetálicos, la red Kondo simplificada solo necesita una batería. Cuando se aplica un voltaje justo, el material se ordena para formar una red de giros, y cuando uno marca un voltaje diferente, los giros se apagan, produciendo un sistema continuamente sintonizable.
“Todo se vuelve mucho más simple y mucho más controlable”, dijo Mak.
Los investigadores pudieron ajustar continuamente la masa de electrones y la densidad de los espines, lo que no se puede hacer en un material convencional, y en el proceso observaron que los electrones revestidos con la red de espines pueden volverse de 10 a 20 veces más pesados que los "electrones desnudos". ” electrones, dependiendo del voltaje aplicado.
La capacidad de ajuste también puede inducir transiciones de fase cuántica en las que los electrones pesados se convierten en electrones ligeros con, en el medio, la posible aparición de una fase metálica "extraña", en la que la resistencia eléctrica aumenta linealmente con la temperatura. La realización de este tipo de transición podría ser particularmente útil para comprender la fenomenología superconductora de alta temperatura en óxidos de cobre.
“Nuestros resultados podrían proporcionar un punto de referencia de laboratorio para los teóricos”, dijo Mak. “En la física de la materia condensada, los teóricos están tratando de lidiar con el complicado problema de un billón de electrones interactuando. Sería genial si no tuvieran que preocuparse por otras complicaciones, como la química y la ciencia de los materiales, en materiales reales. Por lo tanto, a menudo estudian estos materiales con un modelo de celosía Kondo de 'vaca esférica'.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62648.php
