Composietfermionen zijn exotische quasi-deeltjes die worden aangetroffen in interagerende 2-D fermionsystemen bij relatief grote loodrechte magnetische velden. Deze quasi-deeltjes, die zijn samengesteld uit een elektron en twee magnetische fluxquanta, zijn vaak gebruikt om een ​​fysiek fenomeen te beschrijven dat bekend staat als het fractionele quantum Hall-effect.

Onderzoekers van Princeton University en Pennsylvania State University gebruikten onlangs samengestelde fermionen om een ​​theorie te testen die bijna een eeuw geleden door natuurkundige Felix Bloch werd geïntroduceerd. suggereert dat bij zeer lage dichtheden, een paramagnetische Fermi "zee" van elektronen moet spontaan overgaan naar een volledig gemagnetiseerde toestand, wat nu Bloch-ferromagnetisme wordt genoemd. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , levert bewijs van een abrupte overgang naar volledige magnetisatie die nauw aansluit bij de door Bloch getheoretiseerde toestand.

"Composietfermionen zijn echt opmerkelijk, "Mansour Shayegan, hoogleraar Elektrotechniek aan de Princeton University en een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, vertelde Phys.org. "Ze zijn geboren uit interactie en magnetische flux, en toch brengen ze zo'n complex systeem in kaart met een eenvoudige verzameling quasi-deeltjes die zich voor een groot deel gedragen als niet-interagerend en zich ook gedragen alsof ze het grote magnetische veld niet voelen. Een van hun meest interessante eigenschappen is hun spinpolarisatie."

Wanneer er sterke magnetische velden op worden uitgeoefend en de Zeeman-energie overheerst, Van composietfermionen is bekend dat ze volledig spin-gepolariseerd worden (d.w.z. volledig gemagnetiseerd). Bij lagere magnetische velden, anderzijds, ze zijn meestal slechts gedeeltelijk gemagnetiseerd, aangezien de Coulomb-energie een aanzienlijk grotere rol speelt.

Gefascineerd door deze unieke eigenschap van composietfermionen, Shayegan en zijn collega's wilden het verder onderzoeken en onderzoeken. Om dit te doen, ze gebruikten een techniek voor het direct meten van spinpolarisatie die berust op het ballistische (botsingsvrije) transport van composietfermionen over relatief lange afstanden, in de orde van 0,2 micron.

"We zagen dat toen we de dichtheid van samengestelde fermionen (en dus het magnetische veld waarop ze worden gevormd) verlaagden), ze verloren inderdaad hun volledige spinpolarisatie, zoals verwacht, " zei Shayegan. "Maar toen kwam er een volkomen onverwachte verrassing:toen we de dichtheid nog meer verlaagden, plotseling, de composietfermionen werden weer volledig spin-gepolariseerd. We hadden het vermoeden dat dit een gevolg zou kunnen zijn van de zwakke 'rest'-interactie tussen de samengestelde fermionen, maar we konden het niet bewijzen."

Als het fenomeen waargenomen door Shayegan en zijn team dat doet, in feite, het gevolg zijn van de zwakke resterende interacties tussen verschillende samengestelde fermionen, dit fenomeen zou sterk doen denken aan Bloch-ferromagnetisme, de staat die Bloch in 1929 voorspelde. dit effect is tot nu toe zeer moeilijk experimenteel aan te tonen.

"Een sleutel tot het succes van onze experimenten was de beschikbaarheid van modulatie-gedoteerde, gallium-arsenide/aluminium-gallium-arsenide halfgeleiderstructuren van extreem hoge kwaliteit, " zei Shayegan. "Deze werden gekweekt, met behulp van moleculaire bundelepitaxie door onze Princeton-collega Loren Pfeiffer en zijn groep."

Om meer inzicht te krijgen in de vraag of het waargenomen fenomeen eigenlijk vergelijkbaar was met Bloch-ferromagnetisme, Shayegan en zijn team namen contact op met Jainendra Jain, een theoretisch natuurkundige aan de Pennsylvania State University. Jaïn en zijn studenten, Tongzhou Zhao en Songyang Pu, een reeks berekeningen uitgevoerd om de geldigheid van de hypothese van de onderzoekers vast te stellen.

"Toen mijn Princeton-collega's me voor het eerst vertelden over hun experimentele resultaat, het kwam als een totale verrassing, "Zei Jain. "Het model van vrije samengestelde fermionen werkt zo goed voor hun Fermi-zee op het halfgevulde Landau-niveau, dat ik hier geen fysica van het Bloch-type had verwacht; dergelijk gedrag werd zeker door geen enkele bestaande theorie voorspeld. Dit is een zeer complex probleem om theoretisch aan te pakken, omdat het betrekking heeft op zeer kleine veranderingen in energie als functie van de dichtheid."

Om een ​​theoretisch begrip te krijgen van het fenomeen waargenomen door Shayegan en zijn team, Jain en zijn studenten gebruikten een tool die bekend staat als de 'fixed-phase diffusion Monte Carlo'-methode. Toen ze dit theoretische construct op het probleem toepasten, ze ontdekten dat de ferromagnetische toestand overheersend was onder een kritische dichtheid.

Bovendien, Jain en zijn studenten ontdekten dat de kritische dichtheidswaarde die uit hun berekeningen werd afgeleid, dicht bij de waarde lag die werd waargenomen door hun collega's in Princeton. Hun resultaten ondersteunen dus de hypothese dat de waargenomen toestand lijkt op Bloch-ferromagnetisme.

"De onderliggende fysica bleek vergelijkbaar te zijn met die voor elektronen bij een magnetisch veld van nul, Jain legde uit. "De interactie-energie van samengestelde fermionen geeft de voorkeur aan de ferromagnetische toestand, terwijl hun kinetische energie aan de paramagnetische toestand. Naarmate de dichtheid wordt verlaagd, op een gegeven moment wint de interactie-energie, waardoor een overgang naar een volledig ferromagnetische fase."

Eenvoudige systemen met interagerende elektronen komen veel voor en interagerende fermionen worden in alle metalen aangetroffen, dus deze systemen zijn vaak de focus geweest van natuurkundestudies. Hoewel ze uitgebreid zijn onderzocht, Bloch-ferromagnetisme in deze systemen is nog niet duidelijk waargenomen.

Dit team van onderzoekers was een van de eersten die een effect observeerde dat lijkt op Bloch-ferromagnetisme. Bovendien, ze observeerden dit effect in een ongewone reeks quasi-deeltjes (d.w.z. een Fermi-zee van samengestelde fermionen), wat verrassend en onverwacht was.

"De theorie van samengestelde fermionen is goed ingeburgerd, "Md Shafayat Hossain, de hoofdauteur van de studie, vertelde Phys.org. "De meeste fenomenologie in theorie en experimenten met de samengestelde fermionen kan worden begrepen zonder enige interactie tussen de samengestelde fermionen. Daarom, dit is misschien wel het laatste platform waar men handtekeningen van sterke interacties verwacht te vinden. Verrassend genoeg, echter, onze experimenten laten zien dat de samengestelde fermionen Bloch-ferromagnetisme ondergaan, wat een prototypische manifestatie is van sterke interfermion-interactie."

Het recente werk van Shayegan, jaïna, Hossain en hun collega's leverden een aantal interessante resultaten op, die belangrijke implicaties hebben voor zowel de studie van Bloch-ferromagnetisme als samengestelde fermionen. Aan de ene kant, het toont het bestaan ​​aan van een interactie-geïnduceerde overgang naar ferromagnetisme die is afgestemd op het fenomeen dat door Bloch in 1929 werd voorspeld.

Anderzijds, het recente artikel verbetert het huidige begrip van samengestelde fermionen, omdat het laat zien dat deze quasi-deeltjes bij zeer lage dichtheden sterke interacties met elkaar kunnen hebben. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan om verder te zoeken naar Bloch-ferromagnetisme in fermionen, specifiek in omstandigheden die worden gekenmerkt door een magnetisch veld van nul.

"Wanneer een elektronensysteem voldoende verdund wordt gemaakt zodat de Coulomb-energie domineert over de kinetische (Fermi) energie, de elektronen moeten hun spins op één lijn brengen en volledig gemagnetiseerd worden, " zei Shayegan. "Dit is het oorspronkelijke probleem dat Bloch, en later Edmund Stoner (in 1947), en anderen besproken; een klassieker, leerboekprobleem dat experimenten is ontgaan. De experimentele uitdaging is om het elektronensysteem erg verdund te maken, en toch het wanordepotentieel (dat concurreert met de Coulomb-interactie en elektronen op willekeurige plaatsen wil dekken) op een minimaal niveau houden. Wij denken met nieuwe, modulatie-gedoteerde elektronensystemen, er is een kans om eindelijk de Bloch-overgang voor nulveldelektronen vast te stellen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk