Ein Modellsystem, das durch Stapeln eines Paares von Monoschichthalbleitern erstellt wurde, bietet Physikern eine einfachere Möglichkeit, verwirrendes Quantenverhalten zu untersuchen, von schweren Fermionen bis hin zu exotischen Quantenphasenübergängen.
Die Veröffentlichung der Gruppe, „Gate-Tunable Heavy Fermions in a Moiré Kondo Lattice“, wurde am 15. März veröffentlicht Natur. Der Hauptautor ist Postdoktorand Wenjin Zhao am Kavli Institute in Cornell.
Das Projekt wurde von Kin Fai Mak, Professor für Physik am College of Arts and Sciences, und Jie Shan, Professor für angewandte und technische Physik in Cornell Engineering und in A&S, den Mitautoren des Papiers, geleitet. Beide Forscher sind Mitglieder des Kavli-Instituts; Sie kamen durch die Initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) des Provost nach Cornell.
Das Team machte sich daran, den sogenannten Kondo-Effekt zu untersuchen, der nach dem japanischen theoretischen Physiker Jun Kondo benannt ist. Vor etwa sechs Jahrzehnten entdeckten Experimentalphysiker, dass sie, indem sie ein Metall nahmen und sogar eine kleine Anzahl von Atomen durch magnetische Verunreinigungen ersetzten, die Leitungselektronen des Materials streuen und seinen spezifischen Widerstand radikal verändern konnten.
Dieses Phänomen verwirrte die Physiker, aber Kondo erklärte es mit einem Modell, das zeigte, wie Leitungselektronen die magnetischen Verunreinigungen „abschirmen“ können, so dass sich der Elektronenspin mit dem Spin einer magnetischen Verunreinigung in entgegengesetzten Richtungen paart und ein Singulett bildet.
Während das Kondo-Störstellenproblem mittlerweile gut verstanden ist, ist das Kondo-Gitterproblem – eines mit einem regelmäßigen Gitter aus magnetischen Momenten anstelle zufälliger magnetischer Verunreinigungen – viel komplizierter und stellt Physiker weiterhin vor ein Rätsel. Experimentelle Studien des Kondo-Gitter-Problems beinhalten normalerweise intermetallische Verbindungen von Seltenerdelementen, aber diese Materialien haben ihre eigenen Einschränkungen.
„Wenn Sie sich ganz nach unten zum Ende des Periodensystems bewegen, haben Sie am Ende etwa 70 Elektronen in einem Atom“, sagte Mak. „Die elektronische Struktur des Materials wird so kompliziert. Es ist sehr schwierig zu beschreiben, was vor sich geht, selbst ohne Kondo-Wechselwirkungen.“
Die Forscher simulierten das Kondo-Gitter, indem sie ultradünne Monoschichten aus zwei Halbleitern stapelten: Molybdänditellurid, abgestimmt auf einen Mott-Isolierzustand, und Wolframdiselenid, das mit wandernden Leitungselektronen dotiert war. Diese Materialien sind viel einfacher als sperrige intermetallische Verbindungen und werden mit einer cleveren Wendung gestapelt. Durch die Drehung der Schichten um 180 Grad ergibt ihre Überlappung ein Moiré-Gittermuster, das einzelne Elektronen in winzigen Schlitzen einfängt, ähnlich wie Eier in einem Eierkarton.
Diese Konfiguration vermeidet die Komplikation von Dutzenden von Elektronen, die in den Seltenerdelementen zusammengewürfelt werden. Und anstatt die Chemie zu benötigen, um die regelmäßige Anordnung magnetischer Momente in den intermetallischen Verbindungen herzustellen, benötigt das vereinfachte Kondo-Gitter nur eine Batterie. Wenn eine Spannung genau richtig angelegt wird, wird das Material so angeordnet, dass es ein Gitter aus Spins bildet, und wenn man eine andere Spannung anwählt, werden die Spins gequencht, wodurch ein kontinuierlich abstimmbares System entsteht.
„Alles wird viel einfacher und viel kontrollierbarer“, sagte Mak.
Die Forscher konnten die Elektronenmasse und -dichte der Spins kontinuierlich einstellen, was in einem herkömmlichen Material nicht möglich ist, und dabei beobachteten sie, dass die mit dem Spingitter bekleideten Elektronen 10- bis 20-mal schwerer werden können als das „nackte“. “ Elektronen, abhängig von der angelegten Spannung.
Die Abstimmbarkeit kann auch Quantenphasenübergänge induzieren, bei denen schwere Elektronen zu leichten Elektronen werden, mit – dazwischen – der möglichen Entstehung einer „fremden“ Metallphase, in der der elektrische Widerstand linear mit der Temperatur ansteigt. Die Realisierung dieser Art von Übergang könnte besonders nützlich sein, um die Phänomenologie der Hochtemperatur-Supraleitung in Kupferoxiden zu verstehen.
„Unsere Ergebnisse könnten einen Labormaßstab für Theoretiker liefern“, sagte Mak. „In der Physik der kondensierten Materie versuchen Theoretiker, mit dem komplizierten Problem einer Billion wechselwirkender Elektronen fertig zu werden. Es wäre großartig, wenn sie sich nicht um andere Komplikationen wie Chemie und Materialwissenschaften in realen Materialien kümmern müssten untersuchen diese Materialien oft mit einem Kondo-Gittermodell einer ‚kugelförmigen Kuh‘. In der realen Welt kann man keine kugelförmige Kuh erstellen, aber in unserem Material haben wir jetzt eine für das Kondo-Gitter erstellt.“
Mitautoren sind die Doktoranden Bowen Shen und Zui Tao; Postdoktoranden Kaifei Kang und Zhongdong Han; und Forscher des National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan.
Mehr Informationen:
Wenjin Zhao et al, Gate-abstimmbare schwere Fermionen in einem Moiré-Kondo-Gitter, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05800-7