Begrijpen hoe deeltjes zich gedragen in de schemerzone tussen de macro- en de kwantumwereld geeft ons toegang tot fascinerende fenomenen - interessant vanuit zowel de fundamentele als de toepassingsgerichte fysica. Bijvoorbeeld, ultradunne grafeenachtige materialen zijn een fantastische speeltuin om het transport en de interacties van elektronen te onderzoeken. Onlangs, onderzoekers van het Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea), in samenwerking met het Rzhanov Institute of Semiconductor Physics (Rusland) hebben gerapporteerd over een nieuw fenomeen van elektronenverstrooiing in 2D-materialen. De krant is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het team beschouwde een monster dat uit twee subsystemen bestaat:een gemaakt van deeltjes met een geheeltallige spin (bosonen) en de andere gemaakt van deeltjes met een half geheel getal spin (fermionen).

Voor de bosonische component, ze modelleerden een gas van excitonen (elektron-positron-paren). Bij lage temperaturen, kwantummechanica kan een groot aantal bosonische deeltjes dwingen een Bose-Einstein-condensaat (BEC) te vormen. Deze toestand van de materie is gerapporteerd in verschillende materialen, vooral, galliumarsenide (GaAs), en het is voorspeld in molybdeendisulfide (MoS ₂ ).

Het fermionische subsysteem is een 2-D elektronengas (2DEG), waar elektronen beperkt zijn om in twee dimensies te bewegen. Het vertoont intrigerende magnetische en elektrische verschijnselen, inclusief supergeleiding, dat is, de doorgang van stroom zonder weerstand. Deze verschijnselen zijn gerelateerd aan elektronenverstrooiing, wat voornamelijk te wijten is aan onzuiverheden en fononen. Deze laatste zijn trillingen van het kristalrooster. Hun naam is afgeleid van het Griekse 'phonos, ' betekent geluid, omdat lange golflengte fononen aanleiding geven tot geluid, maar ze spelen ook een rol bij de temperatuurafhankelijke elektrische geleidbaarheid van metalen.

Bosonen en fermionen zijn heel verschillend op kwantumniveau, dus wat gebeurt er als we BEC en 2DEG combineren? Kristian Villegas, Meng Zon, Vadim Kovalev, en Ivan Savenko hebben elektronentransport in dergelijke hybride systemen gemodelleerd.

Voorbij de conventionele fononen en onzuiverheden, het team beschreef een onconventioneel elektronenverstrooiingsmechanisme in BEC-2DEG hybride systemen:de interacties van een elektron met een of twee Bogoliubov-quanta (of bogolons) - excitaties van de BEC met kleine impulsen. Hoewel fononen en bogolons enkele gemeenschappelijke kenmerken hebben, het team ontdekte dat ze belangrijke verschillen hebben.

Volgens de modellen in hoogwaardige MoS ₂ bij een bepaald temperatuurbereik, weerstand veroorzaakt door paren bogolons bleek te domineren over soortelijke weerstand veroorzaakt door enkele bogolons, akoestische fononen, enkele bogolons, en onzuiverheden. De reden van een dergelijk verschil is het mechanisme van interactie tussen elektronen en bogolons, die van elektrische aard is, in tegenstelling tot elektron-fonon interactie beschreven door de vervormingen van het monster.

Dit onderzoek kan nuttig zijn voor het ontwerp van nieuwe supergeleiders voor hoge temperaturen. Een schijnbare paradox verbindt geleidbaarheid en supergeleiding:slechte geleiders zijn meestal goede supergeleiders. In het geval van elektron-fonon interacties, sommige materialen die slecht geleidend zijn, vanwege de sterke verstrooiing van elektronen door fononen, kunnen bij zeer lage temperaturen goede supergeleiders worden. Om dezelfde reden, edele metalen, zoals goud, zijn goede geleiders, maar slechte supergeleiders. Als dit ook geldt voor elektron-bogolon-interacties, dan veronderstellen de onderzoekers dat het ontwerpen van een slechte geleider, met een hoge soortelijke weerstand veroorzaakt door elektron-2 bogolons-interacties, zou kunnen leiden tot "goede" supergeleiders.

"Dit werk opent niet alleen perspectieven bij het ontwerpen van hybride structuren met controleerbare dissipatie, het rapporteert over fundamenteel verschillende temperatuurafhankelijkheid van verstrooiing bij lage en hoge temperaturen en werpt licht op optisch gecontroleerde condensaat-gemedieerde supergeleiding, " legt Ivan Savenko uit, de leider van het Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) team bij PCS.