Статья группы "Тяжелые фермионы с перестраиваемым затвором в решетке Муара Кондо" опубликована 15 марта в Природа. Ведущим автором является постдокторант Вэньцзинь Чжао из Института Кавли в Корнелле.

Проектом руководили Кин Фай Мак, профессор физики в Колледже искусств и наук, и Цзе Шань, профессор прикладной и инженерной физики в Cornell Engineering и в A& S, соавторы статьи. Оба исследователя являются сотрудниками Института Кавли; они пришли в Корнелл в рамках инициативы provost по наноразмерной науке и микросистемной инженерии (NEXT Nano).

Команда решила заняться так называемым эффектом Кондо, названным в честь японского физика-теоретика Дзюна Кондо. Около шестидесяти лет назад физики-экспериментаторы обнаружили, что, взяв металл и заменив даже небольшое количество атомов магнитными примесями, они могут рассеять электроны проводимости материала и радикально изменить его удельное сопротивление.

Это явление озадачило физиков, но Кондо объяснил его с помощью модели, которая показала, как электроны проводимости могут "экранировать" магнитные примеси таким образом, что спин электрона соединяется со спином магнитной примеси в противоположных направлениях, образуя синглет.

В то время как проблема примесей Кондо в настоящее время хорошо изучена, проблема решетки Кондо - с регулярной решеткой магнитных моментов вместо случайных магнитных примесей - намного сложнее и продолжает ставить физиков в тупик. Экспериментальные исследования проблемы решетки Кондо обычно включают интерметаллические соединения редкоземельных элементов, но эти материалы имеют свои собственные ограничения.

"Когда вы опускаетесь до самого низа Периодической таблицы, в итоге у вас получается что-то вроде 70 электронов в атоме", - сказал Мак. "Электронная структура материала становится настолько сложной. Очень трудно описать, что происходит, даже без взаимодействия с Кондо".

Исследователи смоделировали решетку Кондо, уложив ультратонкие монослои двух полупроводников: дителлурида молибдена, настроенного на изолирующее состояние Мотта, и диселенида вольфрама, который был легирован блуждающими электронами проводимости. Эти материалы намного проще, чем громоздкие интерметаллические соединения, и они укладываются друг на друга хитроумно. При повороте слоев под углом 180 градусов их перекрытие приводит к образованию муаровой решетки, которая улавливает отдельные электроны в крошечных щелях, похожих на яйца в коробке из-под яиц.

Такая конфигурация позволяет избежать сложностей, связанных с десятками электронов, перемешивающихся вместе в редкоземельных элементах. И вместо того, чтобы требовать химии для получения обычного набора магнитных моментов в интерметаллических соединениях, упрощенной решетке Кондо требуется только батарея. Когда напряжение подается правильно, материал упорядочивается, образуя решетку вращений, а когда один из них набирает другое напряжение, вращения гасятся, создавая непрерывно перестраиваемую систему.

"Все становится намного проще и гораздо более контролируемым", - сказал Мак.

Исследователи смогли непрерывно настраивать электронную массу и плотность спинов, что невозможно сделать в обычном материале, и в процессе они заметили, что электроны, одетые в спиновую решетку, могут стать в 10-20 раз тяжелее, чем "голые" электроны, в зависимости от приложенного напряжения.

Возможность настройки также может индуцировать квантовые фазовые переходы, при которых тяжелые электроны превращаются в легкие электроны с возможным возникновением "странной" металлической фазы, в которой электрическое сопротивление линейно возрастает с температурой. Реализация такого типа перехода могла бы быть особенно полезна для понимания феноменологии высокотемпературной сверхпроводимости в оксидах меди.

"Наши результаты могли бы послужить лабораторным ориентиром для теоретиков", - сказал Мак. "В физике конденсированных сред теоретики пытаются разобраться со сложной проблемой триллиона взаимодействующих электронов. Было бы здорово, если бы им не приходилось беспокоиться о других сложностях, таких как химия и материаловедение, в реальных материалах. Поэтому они часто изучают эти материалы с помощью модели решетки Кондо "сферическая корова". В реальном мире вы не можете создать сферическую корову, но в нашем материале сейчас мы создали такую для решетки Кондо."

В число соавторов входят докторанты Боуэн Шен и Цзуи Тао; постдокторанты Кайфэй Кан и Чжундун Хан; и исследователи из Национального института материаловедения в Цукубе, Япония.

Исследование было в основном поддержано Управлением научных исследований ВВС, Национальным научным фондом, Министерством энергетики США и Фондом Гордона и Бетти Мур.