Wissenschaftler untersuchen Floquet-Fermi-Flüssigkeiten

Forscher aus Deutschland und Singapur haben einen Nichtgleichgewichtszustand von Fermi-Flüssigkeiten namens Floquet Fermi Liquid (FFL) untersucht, der entsteht, wenn Fermi-Flüssigkeiten einer periodischen Antriebskraft ausgesetzt und in Kontakt mit einem Fermionbad gehalten werden.

Fermi-Flüssigkeiten sind quantenmechanische Systeme, in denen sich Fermionen (wie Elektronen in einem Metall) bei der absoluten Nulltemperatur, die 0 Kelvin oder -273,15 °C entspricht, kollektiv vorhersehbar verhalten.

Fermionen sind eine der beiden grundlegenden Teilchenklassen im Universum und gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik (FD). Dies beschreibt ihre Verteilung, wenn sich das System im thermischen Gleichgewicht befindet.

Hier stoßen wir auf ein interessantes Quantensystem namens Fermi-Flüssigkeit. Der Begriff „Fermi-Flüssigkeit“ geht auf die Idee zurück, dass sich die Fermionen in einer Fermi-Flüssigkeit aufgrund ihres kollektiven Verhaltens relativ frei im Material bewegen, ähnlich wie eine Flüssigkeit frei fließt und ihre Form ändern kann.

Bei Fermi-Flüssigkeiten ist das Verhalten von Fermionen durch eine Fermi-Oberfläche gekennzeichnet. Die Fermi-Oberfläche markiert eine Trennung in den Energiezuständen der Fermi-Flüssigkeit und weist auf gefüllte und leere Energiezustände hin, die von den Fermionen besetzt sind.

Die Forscher wollten verstehen, was mit Elektronen passiert, wenn eine periodische Antriebskraft auf sie ausgeübt wird, während sie mit einem fermionischen Wärmebad gekoppelt sind.

Die Studie, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungwurde von Dr. Li-kun Shi und Dr. Inti Sodemann Villadiego von der Universität Leipzig in Deutschland sowie Dr. Oles Matsyshyn und Dr. Justin CW Song von der Nanyang Technological University in Singapur durchgeführt.

Phys.org sprach mit den Forschern, die eine größere Frage stellten, die sie beantworten wollten: Existieren Photoströme (Ströme, die durch die Beleuchtung eines Materials entstehen) in reinen Kristallen (wie Metallen und Halbleitern), selbst wenn das Material kein Licht absorbiert?

Diese Frage führte sie zur Floquet Fermi-Flüssigkeit.

Die Floquet Fermi-Flüssigkeit

In einer Fermi-Flüssigkeit sind die Energiezustände kontinuierlich, wobei gefüllte Energiezustände unterhalb der Fermi-Energie und leere Zustände darüber liegen. Das Fermi-Energieniveau markiert das Energieniveau, bei dem die Wahrscheinlichkeit, einen Fermionzustand zu finden, von nahezu 100 % besetzt auf nahezu 0 % besetzt übergeht.

Beim absoluten Nullpunkt sind alle Zustände bis zur Fermi-Energie gefüllt und alle Zustände darüber leer. Dieses Energieniveau definiert effektiv die Fermi-Oberfläche im Impulsraum: ein theoretisches Konzept, das hilft, zu visualisieren, was im Inneren der Materie geschieht.

Wenn wir eine periodische Kraft auf eine Fermi-Flüssigkeit ausüben, werden ihre normalen Energieniveaus in Floquet-Bänder umgewandelt, das sind die veränderten Energieniveaus der Fermi-Flüssigkeit aufgrund der treibenden Kraft. Stellen Sie sich das wie Wellen vor, die sich auf der Wasseroberfläche bilden.

Die Forscher wollten nun verstehen, was passiert, wenn dieses System weit vom Gleichgewicht entfernt wird. Zu diesem Zweck führten die Forscher ein Fermionenbad ein, bei dem es sich um ein Reservoir oder eine Umgebung aus Fermionen handelt.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die resultierende Fermi-Flüssigkeit in einem instationären trivialen Zustand befindet, der als Floquet-Fermi-Flüssigkeit bezeichnet wird. Sie fanden heraus, dass die resultierende Flüssigkeit nicht den typischen FD-Statistiken entsprach.

FD-Treppe und verschachtelte Flächen

In diesem Fall gilt der FFL-Zustand als nicht trivial, da er als Ergebnis des Zusammenspiels zwischen periodischen Antriebskräften, fermionischen Wechselwirkungen und der Umgebung entsteht.

Anstelle eines sanften Übergangs der Energiezustände, der einem einzelnen Sprung ähnelt, der typischerweise bei Gleichgewichts-FD-Verteilungen beobachtet wird, zeigte die Besetzung der Energiezustände ein treppenartiges Muster mit mehreren Sprüngen.

„Jeder dieser Sprünge führt zum Erscheinen einer neuen Fermi-Oberfläche (der Floquet-Fermi-Oberfläche)“, erklärte Dr. Shi.

„Die Floquet-Fermi-Oberflächen, die im FFL-Zustand erscheinen, sind ineinander eingeschlossen“, fügte Dr. Matsyshyn hinzu.

Stellen Sie sich das als geschichtete Fermi-Oberflächen vor, ähnlich wie bei einer russischen Nistpuppe. Diese floquenten Fermi-Oberflächen beeinflussen das Verhalten des Gesamtsystems und führen zu spezifischen Phänomenen.

Schwebungsmuster in Quantenoszillationen und Kontrolle des elektronischen Verhaltens

Quantenschwingungen sind periodische Änderungen der Eigenschaften eines Materials, beispielsweise des Widerstands, als Funktion externer Parameter wie Magnetfeld oder Druck.

Bei FFLs beobachteten die Forscher Schwebungsmuster in den Quantenoszillationen unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds.

Diese Muster entstehen durch die Interferenz zwischen unterschiedlich großen Floquet-Fermi-Oberflächen, die ineinander verschachtelt sind. Das Vorhandensein mehrerer Floquet-Fermi-Oberflächen führt zu konstruktiven und destruktiven Interferenzeffekten, die zu Schwingungen im Widerstand führen.

„Die Schwebungsmuster in den Quantenoszillationen stimmen mit beobachteten Experimenten zu mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillationen (MIRO) in zweidimensionalen Elektronensystemen überein“, erklärte Dr. Song.

Sie bieten auch die Möglichkeit, das elektronische Verhalten des Systems zu konstruieren und anzupassen.

Dr. Villadiego sagte: „Das Vorhandensein mehrerer Fermi-Oberflächen ermöglicht eine bessere Kontrolle über die elektronischen Eigenschaften des Systems. Durch Einstellen der Lichtfrequenz oder -intensität können wir die Form und den Abstand der Floquet-Fermi-Oberflächen manipulieren.“

Dies bietet neue Möglichkeiten zur Steuerung des elektronischen Verhaltens.

Mögliche Anwendungen und Erkenntnisse

Eine der interessantesten Lektionen, auf die die Forscher hinweisen, ist, dass der stationäre Zustand nicht, wie Dr. Shi es ausdrückte, als „eine Art langweilige, etwas heißere Version der Gleichgewichts-FD-Verteilung“ angesehen werden sollte.

„Stattdessen nähert sich das System einem stationären Zustand, der eine höhere Energiedichte als der Gleichgewichtszustand aufweist, aber diese überschüssige Energie wird nicht als eine Art strukturlose Wärme gespeichert, sondern führt stattdessen zu einer sehr präzisen Neuordnung der Zustandsbesetzung, die erhalten bleibt.“ eine präzise Quantennatur“, sagte Dr. Matsyshyn.

Die Forscher stellten auch Bedingungen oder Kriterien bereit, die erfüllt sein müssen, um die FFL experimentell zu realisieren. Sie listeten auch mehrere mögliche Wege für zukünftige Arbeiten auf, darunter die ursprüngliche Frage des Photostroms in Massenmaterialien.

„Anhand unseres Floquet-Fermi-Flüssigkeitszustands kann man schlüssig zeigen, dass es sogar rein monochromatischem Licht tatsächlich möglich ist, einen gleichgerichteten Nettostrom anzutreiben, selbst wenn seine Frequenz innerhalb der Lücke liegt“, sagte Dr. Villadiego.

„Diese Ideen könnten für die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Technologien wie Lichtverstärker, Sensoren, Solarzellen und Energiegewinnungsgeräte relevant sein“, schloss Dr. Song.

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