Kompositfermioner är exotiska kvasipartiklar som finns i interagerande 2-D fermionsystem vid relativt stora vinkelräta magnetfält. Dessa kvasipartiklar, som är sammansatta av en elektron och två magnetiska flödeskvantor, har ofta använts för att beskriva ett fysiskt fenomen som kallas fraktionerad kvant Hall-effekt.

Forskare vid Princeton University och Pennsylvania State University använde nyligen sammansatta fermioner för att testa en teori som introducerades av fysikern Felix Bloch för nästan ett sekel sedan, vilket tyder på att vid mycket låga densiteter, ett paramagnetiskt Fermi "hav" av elektroner bör spontant övergå till ett helt magnetiserat tillstånd, som nu kallas Bloch ferromagnetism. Deras papper, publiceras i Naturfysik , ger bevis på en abrupt övergång till full magnetisering som är nära i linje med det tillstånd som Bloch teoretiserat.

"Kompositfermioner är verkligen anmärkningsvärt, "Mansour Shayegan, professor i elektroteknik vid Princeton University och en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "De är födda av interaktion och magnetiskt flöde, och ändå mappar de ett så komplext system till en enkel samling kvasipartiklar som i hög grad beter sig som icke-interagerande och som också beter sig som om de inte känner det stora magnetfältet. En av deras mest intressanta egenskaper är deras spinnpolarisering."

När starka magnetfält appliceras på dem och Zeeman-energin är dominerande, kompositfermioner är kända för att bli helt spinnpolariserade (d.v.s. helt magnetiserad). Vid lägre magnetfält, å andra sidan, de är vanligtvis bara delvis magnetiserade, eftersom Coulomb -energin spelar en betydligt större roll.

Fascinerad av denna unika egenskap hos kompositfermioner, Shayegan och hans kollegor gav sig i kast med att undersöka och undersöka det ytterligare. Att göra detta, de använde en teknik för direktmätning av spinnpolarisering som är beroende av ballistisk (kollisionsfri) transport av sammansatta fermioner över relativt långa avstånd, i storleksordningen 0,2 mikron.

"Vi såg att när vi sänkte densiteten av sammansatta fermioner (och därav magnetfältet vid vilket de bildas), de förlorade verkligen sin fulla snurrpolarisering, som förväntat, " sa Shayegan. "Men sedan kom en helt oväntad överraskning:När vi sänkte densiteten ännu mer, helt plötsligt, de sammansatta fermionerna blev helt spinnpolariserade igen. Vi hade en aning om att detta kan vara ett resultat av den svaga "resterande" interaktionen mellan de sammansatta fermionerna, men vi kunde inte bevisa det. "

Om fenomenet som observerats av Shayegan och hans team gör det, faktiskt, resultatet av de svaga kvarvarande interaktionerna mellan olika sammansatta fermioner, detta fenomen påminner mycket om Bloch ferromagnetism, staten förutspådde av Bloch 1929. Anmärkningsvärt nog, denna effekt har hittills visat sig vara mycket svår att påvisa experimentellt.

"En nyckel till framgången för våra experiment var tillgängligheten av modulationsdopad, gallium-arsenid/aluminium-gallium-arsenid halvledarstrukturer av extremt hög kvalitet, "Sa Shayegan." Dessa odlades, med hjälp av molekylär strålepitaxi av vår Princeton-kollega Loren Pfeiffer och hans grupp."

För att få större insikt om huruvida fenomenet de observerade faktiskt var jämförbart med Blochs ferromagnetism, Shayegan och hans team nådde ut till Jainendra Jain, en teoretisk fysiker vid Pennsylvania State University. Jain och hans elever, Tongzhou Zhao och Songyang Pu, gjort en serie beräkningar som syftar till att säkerställa giltigheten av forskarnas hypotes.

"När mina Princeton-kollegor först berättade för mig om deras experimentella resultat, det kom som en total överraskning, " Sade Jain. "Modellen av fria kompositfermioner fungerar så bra för deras Fermihav på den halvfyllda Landau-nivån, att jag inte förväntade mig fysik av Blochtyp här; sådant beteende förutspåddes verkligen inte av någon existerande teori. Detta är ett mycket komplext problem att angripa teoretiskt, eftersom det relaterar till mycket små förändringar i energi som en funktion av densiteten."

För att få en teoretisk förståelse av fenomenet som observerats av Shayegan och hans team, Jain och hans elever använde ett verktyg som kallas Monte Carlo-metoden med fixfasdiffusion. När de tillämpade denna teoretiska konstruktion på det aktuella problemet, de fann att det ferromagnetiska tillståndet dominerade under en kritisk densitet.

Dessutom, Jain och hans elever fann att det kritiska densitetsvärdet som härleddes från deras beräkningar var nära det värde som observerats av deras kollegor på Princeton. Deras resultat stöder alltså hypotesen att det observerade tillståndet liknar Bloch ferromagnetism.

"Den underliggande fysiken avslöjades vara lik den för elektroner vid nollmagnetfält, "Jain förklarade." Interaktionsenergin för sammansatta fermioner föredrar ferromagnetiskt tillstånd medan deras kinetiska energi det paramagnetiska tillståndet. När densiteten sänks, någon gång vinner interaktionsenergin, orsakar en övergång till en helt ferromagnetisk fas."

Enkla system med interagerande elektroner är mycket vanliga och samverkande fermioner finns i alla metaller, så dessa system har ofta varit i fokus för fysikstudier. Även om de har undersökts flitigt, Bloch ferromagnetism i dessa system har ännu inte tydligt observerats.

Detta team av forskare var bland de första att observera en effekt som liknar Blochs ferromagnetism. Dessutom, de observerade denna effekt i en ovanlig uppsättning kvasipartiklar (dvs. ett Fermihav av sammansatta fermioner), vilket var överraskande och oväntat.

"Teorin om sammansatta fermioner är väletablerad, "Md Shafayat Hossain, huvudförfattaren till studien, berättade för Phys.org. "De flesta fenomenologi i teorin och experiment som involverar de sammansatta fermionerna kan förstås utan någon interaktion mellan de sammansatta fermionerna. Därför, detta är kanske den sista plattformen där man förväntar sig att hitta signaturer för starka interaktioner. Förvånande, dock, våra experiment visar att de sammansatta fermionerna genomgår Bloch-ferromagnetism, vilket är en prototypisk manifestation av stark interfermioninteraktion."

Det senaste arbetet av Shayegan, Jain, Hossain och deras kollegor gav ett antal intressanta resultat, som har viktiga implikationer både för studiet av Blochs ferromagnetism och sammansatta fermioner. Å ena sidan, den visar förekomsten av en interaktionsinducerad övergång till ferromagnetism som är i linje med det fenomen som Bloch förutspådde 1929.

Å andra sidan, den senaste artikeln förbättrar den nuvarande förståelsen av kompositfermioner, eftersom det visar att vid mycket låga densiteter kan dessa kvasipartiklar ha starka interaktioner med varandra. I sina nästa studier, forskarna planerar att fortsätta leta efter Bloch-ferromagnetism i fermioner, speciellt under förhållanden som kännetecknas av noll magnetfält.

"När ett elektronsystem görs tillräckligt utspätt så att Coulomb-energin dominerar över den kinetiska (Fermi) energin, elektronerna ska rikta in sina snurr och bli helt magnetiserade, "Shayegan sa. "Detta är det ursprungliga problemet som Bloch, och senare Edmund Stoner (1947), och andra diskuterade; en klassiker, läroboksproblem som har undgått experiment. Den experimentella utmaningen är att göra elektronsystemet mycket utspätt, och ändå hålla störningspotentialen (som konkurrerar med Coulomb -interaktionen och vill tappa elektroner på slumpmässiga platser) till en miniminivå. Vi tänker med nya, moduleringsdopade elektronsystem, det finns en chans att äntligen spika Bloch-övergången för nollfältselektroner."

© 2020 Science X Network