För några år, fysikgemenskapen med kondenserad materia har försökt få en bättre förståelse för materiella system som består av starkt interagerande partiklar. Intressant, många metaller kan beskrivas som system med effektivt svagt interagerande elektroner, även om interaktioner mellan elektroner vanligtvis är ganska starka.

Elektroner har en laddning och när de interagerar med andra elektroner, de påverkar varandra ömsesidigt. Ändå, av olika skäl, i metaller ändrar dessa interaktioner bara specifika parametrar (t.ex. elektroneffekten), men påverkar inte den underliggande strukturen i systemet, som fungerar som om den fortfarande innehåller fria elektroner (dvs. elektroner som inte är bundna till atomer eller molekyler och därmed kan reagera på yttre krafter). Denna observation inramades teoretiskt i sammanhanget med det som kallas "Landau Fermi flytande teori."

Forskare vid University of Illinois, Johns Hopkins University, CUNY College of Staten Island och University of Colorado Boulder har nyligen använt en ny teknik som de utvecklat för att undersöka möjligheten att ett starkt stört och starkt korrelerat och oordnat elektronsystem (dvs. fosfor-dopat kisel) kunde kartläggas till ett system av icke-interagerande och lokaliserade excitationer. Deras experiment ledde i slutändan till observation av ett unikt fenomen som de kallade marginellt Fermiglas.

Dessa forskares studie bygger också på Phil Andersons arbete, som vann Nobelpriset 1977 efter att ha visat att vågor inte kunde sprida sig i system med tillräckligt stark slumpmässighet. Detta generiska vågfenomen, numera känd som Anderson -lokalisering, gäller för många typer av vågor, inklusive akustisk, elektromagnetiska och neutrala vågor.

Förr, vissa teoretiker har föreslagit att Andersons lokalisering också gäller elektroniska vågor (dvs. vågorna inom vilka elektroner sprids, i kvantmekanikens sammanhang). Ändå, giltigheten av denna förutsägelse har ännu inte bekräftats, särskilt med tanke på att elektroner interagerar med varandra starkt på grund av deras laddning.

"Starkt interagerande elektronvågor kan säkert lokaliseras efter störning, men om de gör det på ett sätt som överensstämmer med Andersons lokalisering är oklart, "Peter Armitage, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Interaktioner är starka i en isolator, men den väsentliga frågan är om de faktiskt är irrelevanta eller inte, som i många metaller. Vårt arbete visar, för första gången, att de inte är irrelevanta. "

Väsentligen, Armitage, Fahad Mahmood och deras kollegor upptäckte de första experimentella bevisen som tyder på att Andersons lokalisering inte gäller elektronvågor. För att genomföra sina experiment, de använde en ny teknik som de utvecklade kallas THz 2-D koherent spektroskopi. Denna teknik bygger på de senaste framstegen inom THz -teknik, vilket möjliggjorde generering av mycket stora THz -intervall elektriska fält.

De stora fälten som genereras av ny THz -teknik gör det möjligt för forskare att samla in mätningar av THz optiska olineariteter. Med THz 2-D koherent spektroskopi, forskarna letade efter signaturen för interaktioner mellan elektroner helt enkelt genom att söka efter signaturen för effektiva interaktioner mellan THz -fotonerna de använde.

"När ett fysiskt system är upphetsat lämnar en del av den energin alltid systemet, "Armitage förklaras." På grund av att interaktioner bara känns svagt i de flesta metaller, i dessa material, denna ränta är mycket liten. Dock, med hjälp av THz 2-D-spektroskopi fann vi att hastigheten i dessa material inte är liten, och är, faktiskt, proportionell mot frekvensen som används för att excitera systemet. "

Fynden tyder på att excitationer i fosfor-dopat kisel och eventuellt i andra liknande system inte kan betraktas som "svagt interagerande." Precis som med många metaller, det finns inga bevis för en icke-interagerande beskrivning. Å andra sidan, de fann att det finns interaktioner i dessa isolatorsystem, men att deras styrka helt enkelt är proportionell mot frekvensen som används för att excitera dem.

"Fenomenologin vi observerade kan beskrivas med termen" marginell Fermi -vätska, "ett tillstånd som föreslogs att existera i material som det normala tillståndet för cuprate superledare, den förståelse som fortfarande undviker oss, "Sa Armitage.

Den senaste studien som gjorts av detta forskargrupp visar tydligt att dopat kisel bör beskrivas som ett i grunden starkt interagerande system. I framtiden, detta avgörande fynd kan inspirera andra team att utföra liknande experiment, vilket i slutändan kan bredda den nuvarande förståelsen för andra störda elektronsystem, såsom cuprate superledare.

"Vi tillämpar nu samma teknik som används i vår studie på andra intressanta kvantmaterial, såsom kvantspinnvätskor, men vi arbetar också med att få ytterligare information om det marginella Fermi -glaset, "Sade Armitage." När det gäller beteendet vi har hittat, det finns också mycket att förstå teoretiskt. Vi hoppas att teoretiker kommer att använda sofistikerade teoretiska konstruktioner för att hantera detta beteende. "

© 2021 Science X Network