Att förstå hur partiklar beter sig i skymningszonen mellan makro och kvantvärlden ger oss tillgång till fascinerande fenomen-intressanta både från de grundläggande och applikationsorienterade fysikperspektiven. Till exempel, ultratunna grafenliknande material är en fantastisk lekplats för att undersöka elektroners transport och interaktioner. Nyligen, forskare vid Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS), inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), i samarbete med Rzhanov Institute of Semiconductor Physics (Ryssland) har rapporterat om ett nytt elektronspridningsfenomen i 2-D-material. Tidningen publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Teamet övervägde ett prov som består av två delsystem:ett av partiklar med heltalsspinn (bosoner) och det andra av partiklar med halvtalsspinn (fermioner).

För den bosoniska komponenten, de modellerade en gas av excitoner (elektron-positronpar). Vid låga temperaturer, kvantmekanik kan tvinga ett stort antal bosoniska partiklar att bilda ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). Detta tillstånd har rapporterats i olika material, särskilt, galliumarsenid (GaAs), och det har förutsagts i molybdendisulfid (MoS ₂ ).

Det fermioniska delsystemet är en 2-D elektrongas (2DEG), där elektroner är begränsade att röra sig i två dimensioner. Den uppvisar spännande magnetiska och elektriska fenomen, inklusive supraledning, det är, strömmen passerar utan resistivitet. Dessa fenomen är relaterade till elektronspridning, vilket främst beror på orenheter och fononer. De senare är vibrationer av kristallgitteret. Deras namn härrör från det grekiska 'phonos, betyder ljud, eftersom fononer med lång våglängd ger upphov till ljud, men de spelar också en roll i temperaturberoende elektrisk konduktivitet hos metaller.

Bosoner och fermioner är väldigt olika på kvantnivå, så vad händer när vi kombinerar BEC och 2DEG? Kristian Villegas, Meng Sun, Vadim Kovalev, och Ivan Savenko har modellerat elektrontransport i sådana hybridsystem.

Utöver de konventionella fononerna och föroreningarna, laget beskrev en okonventionell elektronspridningsmekanism i BEC-2DEG-hybridsystem:en elektroners interaktioner med en eller två Bogoliubov-kvanta (eller bogoloner)-upphetsningar av BEC med små momenta. Även om fononer och bogoloner delar några gemensamma drag, laget fann att de har viktiga skillnader.

Enligt modellerna, i högkvalitativ MoS ₂ vid ett visst temperaturintervall, resistivitet orsakad av par bogoloner visade sig dominera över resistivitet orsakad av enskilda bogoloner, akustiska fononer, enkelbogoloner, och föroreningar. Anledningen till en sådan skillnad är mekanismen för interaktion mellan elektroner och bogoloner, som är av elektrisk karaktär, i motsats till elektron-fononinteraktion som beskrivs av provets deformationer.

Denna forskning kan vara användbar för utformning av nya högtemperatur superledare. En uppenbar paradox kopplar konduktivitet och supraledning:dåliga ledare är vanligtvis bra superledare. Vid elektron-fonon-interaktioner, vissa material som visar dålig konduktivitet, på grund av stark spridning av elektroner med fononer, kan bli bra supraledare vid mycket låga temperaturer. Av samma anledning, ädelmetaller, som guld, är bra ledare, men dåliga supraledare. Om detta gäller även för elektron-bogolon-interaktioner, då hypoteser forskarna att utforma en dålig konduktör, med hög resistivitet orsakad av elektron-2 bogolons interaktioner, kan leda till "bra" supraledare.

"Detta arbete öppnar inte bara perspektiv när det gäller att designa hybridstrukturer med kontrollerbar spridning, den rapporterar om fundamentalt olika temperaturberoende för spridning vid låga och höga temperaturer och belyser optiskt styrd kondensatförmedlad supraledning, "förklarar Ivan Savenko, ledare för teamet Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) på PCS.