Der schwer fassbare Übergang zeigt universelle Quantensignaturen

Es gibt starke Unterschiede zwischen Metallen, durch die Elektronen frei fließen, und elektrischen Isolatoren, in denen Elektronen im Wesentlichen unbeweglich sind. Und trotz der offensichtlichen Schwierigkeiten, einen Weg zu finden, innerhalb eines Materials von einem Metall zu einem Isolator hin und her zu wechseln, versuchen Physiker herauszufinden, wie.

„Angenommen, Sie möchten Milliarden von Schaltungselementen auf einem winzigen Chip platzieren und dann auf mikroskopische Weise kontrollieren, ob nur eines der Elemente metallisch oder isolierend ist“, sagte Debanjan Chowdhury, Assistenzprofessor für Physik am College der Künste und Wissenschaften (A&S). „Es wäre bemerkenswert, wenn man das mikroskopische Gerät per Knopfdruck steuern könnte.“

Chowdhury und der Doktorand Sunghoon Kim untersuchten jüngste experimentelle Ergebnisse, um zu versuchen, Experiment und Theorie in Einklang zu bringen, und stellten fest, dass selbst eine winzige Menge an Unvollkommenheit, die jedem realen Material innewohnt, eine Schlüsselrolle bei der Enthüllung der universellen Physik spielt, die mit dem Experiment verbunden ist Metall-zu-Isolator-Übergang. Das Verständnis der Physik hinter diesem mysteriösen Phasenübergang könnte zu neuen komplexen mikroskopischen Schaltkreisen, Supraleitern und exotischen Isolatoren führen, die im Quantencomputer Verwendung finden könnten.

„Continuous Mott Transition in Moiré Semiconductors: Role of Long-Wavelength Inhomogeneities“ wurde am 9. Februar veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

In einem (n einflussreich 2021 Natur Papier, Cornell-Forscher unter der Leitung von Kin Fai Mak, Professor für Physik (A&S), und Jie Shan, Professor für angewandte und technische Physik (Engineering), demonstrierten einen Übergang zwischen einem Metall und einem Isolator in einem Material. Ein gleichzeitiges Experiment von Forschern der Columbia University berichtete über ähnliche Phänomene in einem anderen Material.

Die experimentellen Ergebnisse stimmten jedoch nicht mit der langjährigen Theorie überein, die vorhersagte, wie sich der elektrische Widerstand verhalten sollte, sagte Chowdhury, Mitautor des Papiers von 2021.

Wissenschaftler haben verschiedene Strategien angewandt, um ein Metall in einen Isolator zu verwandeln, sagte Chowdhury. Einer besteht darin, dem Material Verunreinigungen hinzuzufügen, die als Barrieren wirken und die Bewegung von Elektronen behindern. Aber dieser Ansatz ist nicht sehr flexibel, sagte er, es ist einfacher, das Metall in einen Isolator zu verwandeln als umgekehrt.

Ein anderer Ansatz besteht darin, den Elektronenvorrat im Metall allmählich zu verringern – fast so, als würde man „einen Wasserhahn zudrehen“, sagte er. Dies kann einen Isolator schaffen, aber normalerweise keinen, der irgendwelche interessanten Eigenschaften hat, sagte Chowdhury.

„Die wirkliche Aufregung beim Cornell-Experiment 2021“, sagte Chowdhury, „ist, dass sie herausgefunden haben, wie man das Metall in einen Isolator verwandelt, ohne dem System Verunreinigungen hinzuzufügen oder die Anzahl der Elektronen zu ändern.“

Mak und Shan verwendeten ein Moiré-Gitter – eine neue Innovation, für die sie Pionierarbeit leisten –, um ein Sandwich aus zwei 2D-Schichten aus halbleitenden Materialien herzustellen, und legten dann ein elektrisches Feld in senkrechter Richtung an, um das Material zwischen einem Metall und einem Isolator umzuschalten.

Ein Theorievorschlag von Senthil Todadri vom Massachusetts Institute of Technology aus dem Jahr 2008 sagte voraus, dass, wenn sich ein Material dem Übergangspunkt von Metall zu Isolator nähert, der Widerstand des Materials um einen universellen Betrag springen würde – einen, der nur von fundamentalen Naturkonstanten bestimmt wird.

„Das Experiment hat ergeben, dass dies in der Praxis nicht zutrifft“, sagte Chowdhury. „Doch gleichzeitig enthüllte das Experiment andere Merkmale, die deutlich zeigten, dass die Physik, die während dieses Übergangs beobachtet wurde, universell war.“

Bei der Analyse des Experiments von 2021 behielten Kim und Chowdhury im Hinterkopf, dass die Theorie von Todadri, einem Mitautor der vorliegenden Studie, von 2008 auf einem perfekten Kristall ohne Mängel basierte.

„Um das Rätsel zu lösen“, sagte Chowdhury, „war unsere anfängliche Vermutung, dass sich der Übergang vielleicht nicht so im realen Gerät manifestiert. Reale Geräte werden immer einige Unvollkommenheiten haben. Aber ist es möglich, dass die Unvollkommenheiten dazu beitragen, das Universelle und Interessante zu enthüllen? Merkmale des Metall-zu-Isolator-Übergangs?“

Als die Experimentatoren das elektrische Feld änderten, ist es wahrscheinlich, dass verschiedene Teile des Materials aufgrund einer kleinen Anzahl inhärenter Unvollkommenheiten den Metall-zu-Isolator-Übergang bei unterschiedlichen Werten des elektrischen Felds durchliefen, sagte Chowdhury. Folglich müssen die fließenden Elektronen einen Weg durch diese „Inseln“ aus isolierenden Bereichen finden, die in ein „Meer“ aus Metall eingebettet sind.

Um die experimentellen Beobachtungen zu erklären, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass es im Material drei Arten von Bereichen gibt: metallisch, die einen geringen Widerstand haben; Isolatoren, die einen sehr großen Widerstand haben; und metallisch, aber mit einem universellen großen Widerstand, der nur von fundamentalen Naturkonstanten bestimmt wird. Die Verbindung der Beobachtungen mit einer Theorie hilft, die mögliche Natur des resultierenden Isolators zu klären, der faszinierende und nützliche Eigenschaften haben könnte, sagte Chowdhury.

Es könnte das Zeug zu einer Quantenspinflüssigkeit haben, in der die Ladung eines Elektrons von seinem Spin befreit wird, was zu einem Zustand führt, in dem das Elektron effektiv in neue Arten von entstehenden Anregungen zersplittert. Da dieser exotische Zustand alle Arten von Informationen in den nichtlokalen Anregungen kodieren könnte, gilt er als wichtiger Schritt in Richtung Quantencomputing.

„Wir haben theoretisch von der möglichen Existenz von Quanten-Spin-Flüssigkeiten in der Natur gewusst“, sagte Chowdhury, „aber diese Experimente bringen uns dem Traum näher, sie im Labor zu realisieren.“