Wetenschap
Voorbij evenwicht:wetenschappers onderzoeken Floquet Fermi-vloeistoffen
Onderzoekers uit Duitsland en Singapore hebben een niet-evenwichtstoestand van Fermi-vloeistoffen bestudeerd, de Floquet Fermi-vloeistof (FFL), die wordt gevormd wanneer Fermi-vloeistoffen worden onderworpen aan een periodieke drijvende kracht en in contact worden gehouden met een fermionische bad.
Fermi-vloeistoffen zijn kwantummechanische systemen waarin fermionen (zoals elektronen in een metaal) zich collectief voorspelbaar gedragen bij een temperatuur van het absolute nulpunt, wat overeenkomt met 0 Kelvin of -273,15°C.
Fermionen zijn een van de twee fundamentele klassen van deeltjes in het universum, en ze volgen de statistieken van Fermi-Dirac (FD). Dit beschrijft hun verdeling wanneer het systeem zich in thermisch evenwicht bevindt.
Dit is waar we een interessant kwantumsysteem tegenkomen dat een Fermi-vloeistof wordt genoemd. De term 'Fermi-vloeistof' komt voort uit het idee dat, vergelijkbaar met hoe een vloeistof vrij stroomt en van vorm kan veranderen, de fermionen in een Fermi-vloeistof relatief vrij in het materiaal bewegen vanwege hun collectieve gedrag.
Voor Fermi-vloeistoffen wordt het gedrag van fermionen gekenmerkt door een Fermi-oppervlak. Het Fermi-oppervlak markeert een scheiding in de energietoestanden van de Fermi-vloeistof, wat de gevulde en lege energietoestanden aangeeft die door de fermionen worden ingenomen.
De onderzoekers waren gemotiveerd om te begrijpen wat er met elektronen gebeurt als er een periodieke drijvende kracht op wordt uitgeoefend in combinatie met een fermionische warmtebad.
Het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters , werd uitgevoerd door Dr. Li-kun Shi en Dr. Inti Sodemann Villadiego van de Universität Leipzig in Duitsland en Dr. Oles Matsyshyn en Dr. Justin C. W. Song van de Nanyang Technological University in Singapore.
Phys.org sprak met de onderzoekers, die een grotere vraag aanhaalden die ze hoopten te beantwoorden:bestaan er fotostromen (stromen die het gevolg zijn van het verlichten van een materiaal) in pure bulkkristallen (zoals metalen en halfgeleiders), zelfs als het materiaal geen licht absorbeert?
Deze vraag leidde hen naar de Floquet Fermi-vloeistof.
De Floquet Fermi-vloeistof
In een Fermi-vloeistof zijn de energietoestanden continu, met gevulde energietoestanden onder de Fermi-energie en lege toestanden daarboven. Het Fermi-energieniveau markeert het energieniveau waarop de waarschijnlijkheid van het vinden van een fermiontoestand overgaat van bijna 100% bezet naar bijna 0% bezet.
Bij het absolute nulpunt zijn alle toestanden tot aan de Fermi-energie gevuld en zijn alle toestanden daarboven leeg. Dit energieniveau definieert effectief het Fermi-oppervlak in de momentumruimte:een theoretisch concept dat helpt visualiseren wat er in de materie gebeurt.
Wanneer we een periodieke kracht uitoefenen op een Fermi-vloeistof, worden de normale energieniveaus ervan gewijzigd in Floquet-banden, wat de gewijzigde energieniveaus van de Fermi-vloeistof zijn als gevolg van de drijvende kracht. Zie het als rimpelingen op het wateroppervlak.
De onderzoekers wilden nu begrijpen wat er gebeurt als dit systeem ver uit evenwicht wordt gedreven. Om dit te doen, introduceerden de onderzoekers een fermionische bad, een reservoir of omgeving bestaande uit fermionen.
De onderzoekers ontdekten dat de resulterende Fermi-vloeistof zich in een niet-stabiele triviale toestand bevindt, een zogenaamde Floquet Fermi-vloeistof. Ze ontdekten dat de resulterende vloeistof niet aan de typische FD-statistieken voldeed.
FD trap en geneste oppervlakken
In dit geval wordt de FFL-toestand als niet-triviaal beschouwd omdat deze ontstaat als gevolg van de wisselwerking tussen periodieke drijvende krachten, fermionische interacties en de omringende omgeving.
In plaats van een soepele overgang in energietoestanden, die lijkt op een enkele sprong die doorgaans wordt waargenomen in evenwichts-FD-verdelingen, vertoonde de bezetting van energietoestanden een trapachtig patroon met meerdere sprongen.
"Elk van deze sprongen leidt tot het verschijnen van een nieuw Fermi-oppervlak (het Floquet Fermi-oppervlak)", legt Dr. Shi uit.
"De Floquet Fermi-oppervlakken die in de FFL-toestand verschijnen, zijn in elkaar omsloten", voegde Dr. Matsyshyn toe.
Zie het als gelaagde Fermi-oppervlakken, vergelijkbaar met de situatie van een Russische nestpop. Deze Floquent Fermi-oppervlakken beïnvloeden het gedrag van het totale systeem en veroorzaken specifieke verschijnselen.
Het kloppen van patronen in kwantumoscillaties en het controleren van elektronisch gedrag
Kwantumoscillaties zijn periodieke veranderingen in de eigenschappen van een materiaal, zoals weerstand, als functie van externe parameters zoals magnetisch veld of druk.
De onderzoekers observeerden in het geval van FFL's zwevingspatronen in de kwantumoscillaties onder invloed van een extern magnetisch veld.
Deze patronen ontstaan door de interferentie tussen Floquet Fermi-oppervlakken van verschillende grootte, die in elkaar zijn genest. De aanwezigheid van meerdere Floquet Fermi-oppervlakken leidt tot constructieve en destructieve interferentie-effecten, resulterend in oscillaties in de weerstand.
"De kloppatronen in de kwantumoscillaties zijn consistent met waargenomen microgolf-geïnduceerde weerstandsoscillaties (MIRO)-experimenten in tweedimensionale elektronensystemen", legt Dr. Song uit.
Ze bieden ook een manier om het elektronische gedrag van het systeem te engineeren en aan te passen.
Dr. Villadiego zei:"De aanwezigheid van meerdere Fermi-oppervlakken zorgt voor een grotere controle over de elektronische eigenschappen van het systeem. Door de lichtfrequentie of -intensiteit af te stemmen, kunnen we de vorm en scheiding van de Floquet Fermi-oppervlakken manipuleren."
Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor het controleren van elektronisch gedrag.
Potentiële toepassingen en inzichten
Een van de meest interessante lessen die de onderzoekers naar voren brengen is dat de stabiele toestand niet moet worden gezien, zoals Dr. Shi het uitdrukte, als "een soort saaie, iets hetere versie van de evenwichts-FD-verdeling."
“In plaats daarvan nadert het systeem een stabiele toestand, die een hogere energiedichtheid heeft dan de evenwichtstoestand, maar deze overtollige energie wordt niet opgeslagen als een soort karakterloze warmte, maar leidt in plaats daarvan tot een zeer nauwkeurige herschikking van de bezetting van staten die de een precieze kwantumnatuur,” zei Dr. Matsyshyn.
De onderzoekers gaven ook voorwaarden of criteria waaraan moet worden voldaan om de FFL experimenteel te realiseren. Ze somden ook verschillende mogelijke wegen op voor toekomstig werk, waarvan er één de oorspronkelijke kwestie van fotostroom in bulkmaterialen betreft.
"Met behulp van onze vloeibare toestand Floquet Fermi kan men rigoureus aantonen dat het inderdaad mogelijk is dat zelfs puur monochromatisch licht een netto gelijkgerichte stroom aanstuurt, zelfs als de frequentie ervan binnen de opening ligt", aldus Dr. Villadiego.
"Deze ideeën zouden relevant kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische technologieën zoals lichtversterkers, sensoren, zonnecellen en apparaten voor het oogsten van energie", concludeerde Dr. Song.