In de vastestoffysica, de precieze interacties van elektronen worden geanalyseerd door middel van nauwgezet speurwerk, uiteindelijk om een ​​beter begrip te krijgen van fundamentele natuurkundige verschijnselen.

Voor fans van het thrillergenre is het geen verrassing dat om een ​​zaak op te lossen, vingerafdrukken moeten zorgvuldig worden gelokaliseerd op de plaats delict. In de moderne vastestoffysica, wetenschappers zoeken naar verstrooiingsprocessen - interacties tussen elektronen - die de aanwijzingen bevatten die nodig zijn om dichter bij de waarheid te komen.

Het onthullen van deze cruciale hints is vooral moeilijk in het geval van complexe materialen, waar veel elektronen tegelijk een rol spelen. In zogenaamde "veel-elektronensystemen" " biljoenen elektronen kunnen met elkaar worden verbonden en energie en momentum uitwisselen. Aan de Technische Universiteit van Wenen, de Universiteit van Tübingen en de École Polytechnique in Parijs, onderzoekers hebben belangrijke vooruitgang geboekt:met behulp van een nauwkeurige analyse, nieuwe structuren werden geïdentificeerd - karakteristieke patronen in de gecompliceerde verstrooiingsprocessen die kunnen helpen om 'de zaak op te helderen'.

Verstrooiingsprocessen en materiaaleigenschappen

Onder andere eigenschappen, verstrooiingsprocessen bepalen de mobiliteit van de ladingsdragers en bepalen zo of het systeem uiteindelijk een metalen, isolerend of zelfs supergeleidend gedrag. Simpel gezegd, deze wiskundige grootheden weerspiegelen hoe sterk de elektronen op elkaar inwerken. Met behulp van uitgebreide computersimulaties, onderzoekers van gecondenseerde materie proberen de fysische eigenschappen van veel-elektronensystemen vast te stellen, en uiteindelijk fundamentele vragen van vaste-stoffysica beantwoorden, bijvoorbeeld:"Hoe werken onconventionele supergeleiders?" of "Hoe vinden kwantumfysische faseovergangen plaats bij het absolute nulpunt?"

Een internationaal onderzoeksteam, waaronder de groep van professor Alessandro Toschi (Patrick Chalupa, Matthias Reitner en Daniel Springer) van de TU Wien, Professor Sabine Andergassen van de Universiteit van Tübingen en Thomas Schäfer van de École Polytechnique in Parijs, heeft in dit opzicht belangrijke vooruitgang geboekt. Een diepgaande analyse van de verstrooiingsprocessen en hun vergelijking in verschillende fysieke situaties maakte het mogelijk om duidelijke "vingerafdrukken" te identificeren. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Nieuwe verbindingen ontdekt

Net als forensische wetenschappers op een plaats delict, de onderzoekers probeerden veel kleine details met elkaar te verbinden om het grotere geheel te zien. Ze slaagden erin karakteristieke structuren te identificeren in de complexe wiskundige grootheden die de verstrooiingsprocessen beschrijven en deze structuren te relateren aan twee fundamentele fenomenen van de vastestoffysica. Deze fundamentele verschijnselen bleken de vorming van lokale magnetische momenten te zijn, evenals hun afscherming vanwege het zogenaamde Kondo-effect, die beide cruciaal de mobiliteit van elektronen regelen. Deze nieuwe verbinding maakt het mogelijk om in één oogopslag de relevante fysieke effecten in de complexe verstrooiingsprocessen te herkennen. Door het identificeren van deze "vingerafdrukken, " was het zelfs mogelijk om een ​​alternatief criterium te ontdekken voor het bepalen van een van de meest fundamentele energieschalen in de theoretische vastestoffysica:de Kondo-temperatuur.

Eventueel, deze bevindingen zouden nieuw licht kunnen werpen op voorheen onopgeloste mysteries in de vastestoffysica, bijvoorbeeld, kwantumkritiek in zware fermionsystemen, onconventionele supergeleiding in sterk gecorreleerde kwantummaterialen en verrassende magnetische verschijnselen in overgangsmetaaloxiden. De juiste bepaling van de onderliggende kwantumvingerafdrukken zou het onderzoek op het juiste spoor kunnen zetten om deze systemen op een fundamenteel niveau te begrijpen.