Новости космоса и технологий. » Физика » Наблюдение блоховского ферромагнетизма в составных фермионах

Наблюдение блоховского ферромагнетизма в составных фермионах

Опубликовал: Admin, 19-09-2020, 16:57, Физика, 181, 0

Наблюдение блоховского ферромагнетизма в составных фермионах

Составные фермионы - это экзотические квазичастицы, обнаруживаемые во взаимодействующих двумерных фермионных системах в относительно больших перпендикулярных магнитных полях. Эти квазичастицы, состоящие из электрона и двух квантов магнитного потока, часто используются для описания физического явления, известного как дробный квантовый эффект Холла.

Исследователи из Принстонского университета и Университета штата Пенсильвания недавно использовали композит фермионы чтобы проверить теорию, введенную физиком Феликсом Блохом почти столетие назад, предполагающую, что при очень низких плотностях парамагнитное фермиевское «море» электронов должно спонтанно переходить в полностью намагниченное состояние, которое теперь называется ферромагнетизмом Блоха. Их статья, опубликованная в Природа Физика , свидетельствует о резком переходе к полной намагниченности, что близко соответствует состоянию, теоретизированному Блохом.

«Композитные фермионы действительно замечательны», - сказал Phys.org Мансур Шайеган, профессор электротехники в Принстонском университете и один из исследователей, проводивших исследование. «Они рождаются из взаимодействия и магнитного потока, и все же они отображают такую ​​сложную систему в простой набор квазичастиц, которые в значительной степени ведут себя как невзаимодействующие, а также ведут себя так, как будто они не чувствуют большого магнитного поля. . Одним из наиболее интересных свойств является их спиновая поляризация ».

Когда сильные магнитные поля к ним приложены, и энергия Зеемана преобладает, композитные фермионы, как известно, становятся полностью поляризованными по спину (т.е. полностью намагничиваются). С другой стороны, при более низких магнитных полях они, как правило, намагничены лишь частично, поскольку кулоновская энергия играет значительно большую роль.

Очарованный этой уникальной характеристикой составных фермионов, Шайеган и его коллеги решили исследовать и исследовать ее дальше. Для этого они использовали метод прямого измерения спиновой поляризации, основанный на баллистическом (бесстолкновительном) переносе композитных фермионов на относительно большие расстояния, порядка 02 микрона.

«Мы увидели, что когда мы снизили плотность композитных фермионов (и, следовательно, магнитное поле, при котором они образуются), они действительно потеряли свою полную спиновую поляризацию, как и ожидалось», - сказал Шайеган. «Но затем последовал совершенно неожиданный сюрприз: когда мы еще больше снизили плотность, композитные фермионы внезапно стали полностью поляризованными по спину. У нас было подозрение, что это может быть результатом слабого« остаточного »взаимодействия между составные фермионы, но мы не смогли этого доказать ».

Если явление, наблюдаемое Шайеганом и его командой, действительно является результатом слабого остаточного взаимодействия между различными составными фермионами, это явление будет сильно напоминать ферромагнетизм Блоха, состояние, предсказанное Блохом в 1929 году. Примечательно, что этот эффект до сих пор имел место. оказалось очень сложно продемонстрировать экспериментально.

«Ключом к успеху наших экспериментов была доступность легированных модуляцией полупроводниковых структур на основе арсенида галлия /алюминия-галлия-арсенида чрезвычайно высокого качества», - сказал Шайеган. «Они были выращены с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии нашим коллегой из Принстона Лореном Пфайффером и его группой».

Чтобы лучше понять, действительно ли наблюдаемое ими явление можно сравнить с ферромагнетизмом Блоха, Шайеган и его команда обратились к Джайнендре Джайну, физик-теоретик в Государственном университете Пенсильвании. Джайн и его ученики, Тунчжоу Чжао и Сунъян Пу, провели серию вычислений, направленных на подтверждение справедливости гипотезы исследователей.

«Когда мои коллеги из Принстона впервые рассказали мне о результатах своего эксперимента, это стало полной неожиданностью, - сказал Джайн. «Модель свободных составных фермионов настолько хорошо работает для их моря Ферми на наполовину заполненном уровне Ландау, что я не ожидал здесь физики блоховского типа; такое поведение определенно не было предсказано какой-либо существующей теорией. Это очень сложная проблема. теоретически, потому что это связано с очень крошечными изменениями энергии в зависимости от плотности ».

Чтобы получить теоретическое понимание феномена, наблюдаемого Шайеганом и его командой, Джайн и его ученики использовали инструмент, известный как метод «диффузионного Монте-Карло с фиксированной фазой». Когда они применили эту теоретическую конструкцию к рассматриваемой проблеме, они обнаружили, что ферромагнитное состояние преобладает при плотности ниже критической.

Более того, Джайн и его ученики обнаружили, что значение критической плотности, полученное в результате их расчетов, близко к значению, наблюдаемому их коллегами в Принстоне. Таким образом, их результаты подтверждают гипотезу о том, что наблюдаемое состояние напоминает блоховский ферромагнетизм.

«Было обнаружено, что лежащая в основе физика аналогична физике электронов в нулевом магнитном поле», - объяснил Джайн. «Энергия взаимодействия составных фермионов предпочитает ферромагнитное состояние, тогда как их кинетическая энергия - парамагнитное состояние. При понижении плотности в какой-то момент энергия взаимодействия побеждает, вызывая переход в полностью ферромагнитную фазу».

Простые системы с взаимодействующими электронами очень распространены, а взаимодействующие фермионы встречаются во всех металлах, поэтому эти системы часто были в центре внимания физических исследований. Несмотря на то, что они широко исследовались, ферромагнетизм Блоха в этих системах еще не обнаружен.

Эта группа исследователей была одной из первых, кто наблюдал эффект, напоминающий ферромагнетизм Блоха. Более того, они наблюдали этот эффект в необычном наборе квазичастиц (то есть в море Ферми составных фермионов), что было удивительным и неожиданным.

«Теория композитных фермионов хорошо известна», - сказал Phys.org ведущий автор исследования М.Д. Шафаят Хоссейн. «Большую часть феноменологии в теории и экспериментах с участием составных фермионов можно понять без какого-либо взаимодействия между составными фермионами. Следовательно, это, пожалуй, последняя платформа, на которой можно ожидать обнаружения признаков сильных взаимодействий. Однако наши эксперименты показывают, что составные фермионы подвергаются блоховскому ферромагнетизму, который является прототипом проявления сильного межфермионного взаимодействия ».

Недавняя работа Шайегана, Джайна, Хоссейна и их коллег привела к ряду интересных результатов, которые имеют важное значение как для изучения ферромагнетизма Блоха, так и составных фермионов. С одной стороны, это демонстрирует существование индуцированного взаимодействием перехода к ферромагнетизму, который согласуется с явлением, предсказанным Блохом в 1929 году.

С другой стороны, недавняя статья расширяет текущее понимание составных фермионов, поскольку показывает, что при очень низких плотностях эти квазичастицы могут иметь сильные взаимодействия друг с другом. В своих следующих исследованиях исследователи планируют продолжить поиск ферромагнетизма Блоха в фермионах, особенно в условиях, характеризующихся нулевым магнитным полем.

«Когда электронная система сделана достаточно разбавленной, чтобы кулоновская энергия преобладала над кинетической (Ферми) энергией, электроны должны выровнять свои спины и стать полностью намагниченными», - сказал Шайеган. «Это изначальная проблема, которую обсуждали Блох, а позже Эдмунд Стоунер (в 1947 году) и другие; классическая проблема из учебников, ускользавшая от экспериментов. Экспериментальная задача состоит в том, чтобы сделать электронную систему очень разбавленной, но при этом сохранить беспорядок потенциал (который конкурирует с кулоновским взаимодействием и хочет улавливать электроны в случайных узлах) до минимального уровня. Мы думаем, что с новыми системами электронов с модулирующими добавками есть шанс, наконец, зафиксировать блоховский переход для электронов в нулевом поле. "


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии