Un système modèle créé en empilant une paire de semi-conducteurs monocouches offre aux physiciens un moyen furthermore easy d’étudier le comportement quantique confondant, des fermions lourds aux transitions de section quantiques exotiques.
L’article du groupe, “Gate-Tunable Hefty Fermions in a Moiré Kondo Lattice”, a été publié le 15 mars dans Nature. L’auteur principal est le boursier postdoctoral Wenjin Zhao à l’Institut Kavli de Cornell.
Le projet était dirigé par Kin Fai Mak, professeur de physique au Collège des arts et des sciences, et Jie Shan, professeur de physique appliquée et d’ingénierie à Cornell Engineering et à A&S, les co-auteurs principaux de l’article. Les deux chercheurs sont membres de l’Institut Kavli ils sont venus à Cornell par le biais de l’initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (Next Nano) du prévôt.
L’équipe s’est attaquée à ce que l’on appelle l’effet Kondo, du nom du physicien théoricien japonais Jun Kondo. Il y a environ six décennies, des physiciens expérimentaux ont découvert qu’en prenant un métal et en remplaçant ne serait-ce qu’un petit nombre d’atomes par des impuretés magnétiques, ils pouvaient disperser les électrons de conduction du matériau et modifier radicalement sa résistivité.
Ce phénomène a intrigué les physiciens, mais Kondo l’a expliqué avec un modèle qui a montré remark les électrons de conduction peuvent “écranter” les impuretés magnétiques, de sorte que le spin de l’électron s’apparie avec le spin d’une impureté magnétique dans des instructions opposées, formant un singulet.
Alors que le problème des impuretés de Kondo est maintenant bien compris, le problème du réseau de Kondo – un problème avec un réseau régulier de moments magnétiques au lieu d’impuretés magnétiques aléatoires – est beaucoup additionally compliqué et keep on de déconcerter les physiciens. Les études expérimentales du problème du réseau de Kondo impliquent généralement des composés intermétalliques d’éléments de terres rares, mais ces matériaux ont leurs propres limites.
“Lorsque vous vous déplacez jusqu’au bas du tableau périodique, vous vous retrouvez avec quelque selected comme 70 électrons dans un atome”, a déclaré Mak. “La framework électronique du matériau devient si compliquée. Il est très difficile de décrire ce qui se passe même sans interactions Kondo.”
Les chercheurs ont simulé le réseau de Kondo en empilant des monocouches ultrafines de deux semi-conducteurs : le ditellurure de molybdène, accordé à un état isolant de Mott, et le diséléniure de tungstène, qui a été dopé avec des électrons de conduction itinérants. Ces matériaux sont beaucoup additionally simples que les composés intermétalliques volumineux, et ils sont empilés avec une touche intelligente. En faisant pivoter les couches à un angle de 180 degrés, leur chevauchement se traduit par un motif de réseau moiré qui piège les électrons individuels dans de minuscules fentes, semblables aux œufs dans une boîte à œufs.
Cette configuration évite la complication de dizaines d’électrons qui s’entremêlent dans les éléments de terres rares. Et au lieu de nécessiter de la chimie pour préparer le réseau régulier de moments magnétiques dans les composés intermétalliques, le réseau simplifié de Kondo n’a besoin que d’une batterie. Lorsqu’une tension est appliquée correctement, le matériau est ordonné pour former un réseau de spins, et lorsque l’on passe à une pressure différente, les spins sont désactivés, produisant un système réglable en continu.
“Tout devient beaucoup as well as straightforward et beaucoup plus contrôlable”, a déclaré Mak.
Les chercheurs ont pu ajuster en continu la masse et la densité des électrons des spins, ce qui ne peut être fait dans un matériau conventionnel, et dans le processus, ils ont observé que les électrons habillés avec le réseau de spin peuvent devenir 10 à 20 fois furthermore lourds que le “nu ” électrons, en fonction de la tension appliquée.
L’accordabilité peut également induire des transitions de stage quantiques par lesquelles les électrons lourds se transforment en électrons légers avec, entre les deux, l’émergence doable d’une section métallique “étrange”, dans laquelle la résistance électrique augmente linéairement avec la température. La réalisation de ce variety de transition pourrait être particulièrement utile pour comprendre la phénoménologie supraconductrice à haute température dans les oxydes de cuivre.
“Nos résultats pourraient fournir une référence de laboratoire pour les théoriciens”, a déclaré Mak. “En physique de la matière condensée, les théoriciens tentent de résoudre le problème compliqué d’un billion d’électrons en conversation. Ce serait formidable s’ils n’avaient pas à se soucier d’autres problems, telles que la chimie et la science des matériaux, dans les matériaux réels. Alors ils étudiez souvent ces matériaux avec un modèle de treillis Kondo « vache sphérique ». Dans le monde réel, vous ne pouvez pas créer une vache sphérique, mais dans notre matériel, nous en avons maintenant créé un pour le treillis Kondo. »
Les co-auteurs incluent les doctorants Bowen Shen et Zui Tao les chercheurs postdoctoraux Kaifei Kang et Zhongdong Han et des chercheurs de l’Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba, au Japon.
La recherche a été principalement soutenue par l’Air Power Workplace of Scientific Exploration, la Countrywide Science Basis, le US Division of Energy et la Gordon and Betty Moore Basis.