Voor meerdere jaren, de gemeenschap van gecondenseerde materie heeft geprobeerd een beter begrip te krijgen van materiële systemen die bestaan ​​uit sterk op elkaar inwerkende deeltjes. interessant, veel metalen kunnen worden beschreven als systemen met effectief zwak interagerende elektronen, zelfs als de interacties tussen elektronen doorgaans vrij sterk zijn.

Elektronen hebben een lading en wanneer ze interageren met andere elektronen, ze beïnvloeden elkaar wederzijds. Niettemin, om verschillende redenen, in metalen veranderen deze interacties slechts specifieke parameters (bijv. de effectieve massa van het elektron), maar hebben geen invloed op de onderliggende structuur van het systeem, dat doet alsof het nog steeds vrije elektronen bevat (d.w.z. elektronen die niet aan atomen of moleculen vastzitten en dus kunnen reageren op krachten van buitenaf). Deze waarneming werd theoretisch ingekaderd in de context van wat bekend staat als de 'Landau Fermi-vloeistoftheorie'.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois, Johns Hopkins-universiteit, CUNY College of Staten Island en University of Colorado Boulder hebben onlangs een nieuwe techniek gebruikt die ze hebben ontwikkeld om de mogelijkheid te onderzoeken dat een sterk ongeordend en sterk gecorreleerd en ongeordend elektronensysteem (d.w.z. met fosfor gedoteerd silicium) kan worden toegewezen aan een systeem van niet-interagerende en gelokaliseerde excitaties. Hun experimenten leidden uiteindelijk tot de observatie van een uniek fenomeen dat ze marginaal Fermi-glas noemden.

De studie van deze onderzoekers bouwt ook voort op het werk van Phil Anderson, die in 1977 de Nobelprijs won nadat hij had aangetoond dat golven zich niet konden voortplanten in systemen met voldoende sterke willekeur. Dit generieke golffenomeen, nu bekend als Anderson-lokalisatie, geldt voor vele soorten golven, inclusief akoestische, elektromagnetische en neutrale materiegolven.

Vroeger, sommige theoretici hebben gesuggereerd dat Anderson-lokalisatie ook van toepassing is op elektronische golven (d.w.z. de golven waarbinnen elektronen zich voortplanten, in de context van de kwantummechanica). Niettemin, de geldigheid van deze voorspelling is nog niet bevestigd, vooral gezien het feit dat elektronen sterk met elkaar interageren vanwege hun lading.

"Sterk op elkaar inwerkende elektronengolven kunnen zeker worden gelokaliseerd door wanorde, maar of ze het doen op een manier die consistent is met Anderson-lokalisatie is onduidelijk, "Peter Armitage, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Interacties zijn sterk in een isolator, maar de essentiële vraag is of ze in feite niet relevant zijn, zoals in veel metalen. Ons werk laat zien, Voor de eerste keer, dat ze niet relevant zijn."

Eigenlijk, Armitage, Fahad Mahmood en hun collega's ontdekten het eerste experimentele bewijs dat suggereert dat Anderson-lokalisatie niet van toepassing is op elektronengolven. Om hun experimenten uit te voeren, ze gebruikten een nieuwe techniek die ze ontwikkelden, THz 2-D coherente spectroscopie genaamd. Deze techniek bouwt voort op recente ontwikkelingen in THz-technologie, die de opwekking van elektrische velden met een zeer groot THz-bereik mogelijk maakte.

De grote velden die door nieuwe THz-technologieën worden gegenereerd, stellen wetenschappers in staat metingen van optische niet-lineariteiten van THz te verzamelen. Met behulp van THz 2-D coherente spectroscopie, de onderzoekers zochten naar de signatuur van interacties tussen elektronen door simpelweg te zoeken naar de signatuur van effectieve interacties tussen de THz-fotonen die ze gebruikten.

"Als een fysiek systeem wordt geëxciteerd, verlaat een bepaalde hoeveelheid van die energie altijd het systeem, " legde Armitage uit. "Vanwege het feit dat interacties slechts zwak worden gevoeld in de meeste metalen, in deze materialen, dit tarief is erg klein. Echter, met behulp van THz 2-D spectroscopie vonden we dat in deze materialen de snelheid niet klein is, en is, in feite, evenredig met de frequentie die wordt gebruikt om het systeem te prikkelen."

De bevindingen suggereren dat excitaties in met fosfor gedoteerd silicium en mogelijk in andere soortgelijke systemen niet kunnen worden beschouwd als 'zwakke interactie'. er is geen bewijs om een ​​niet-interagerende beschrijving te ondersteunen. Anderzijds, ze ontdekten dat er interacties zijn in deze isolatorsystemen, maar dat hun kracht eenvoudig evenredig is met de frequentie die wordt gebruikt om ze op te winden.

"De fenomenologie die we hebben waargenomen, kan worden beschreven met de term 'marginale Fermi-vloeistof, " een toestand waarvan werd voorgesteld dat deze bestond in materialen zoals de normale toestand van cuprate-supergeleiders, waarvan het begrip ons nog steeds ontgaat, ' zei Armitage.

De recente studie van dit team van onderzoekers toont duidelijk aan dat gedoteerd silicium moet worden beschreven als een intrinsiek sterk interactief systeem. In de toekomst, deze cruciale bevinding zou andere teams kunnen inspireren om soortgelijke experimenten uit te voeren, die uiteindelijk het huidige begrip van andere ongeordende elektronensystemen zou kunnen verbreden, zoals cuprate supergeleiders.

"We passen nu dezelfde techniek toe die in onze studie werd gebruikt voor andere interessante kwantummaterialen, zoals kwantumspinvloeistoffen, maar we werken ook aan het verkrijgen van meer informatie over het marginale Fermi-glas, ' zei Armitage. 'Wat betreft het gedrag dat we hebben gevonden, ook theoretisch valt er veel te begrijpen. We hopen dat theoretici geavanceerde theoretische constructies zullen gebruiken om dit gedrag aan te pakken."

© 2021 Science X Network