I fasta tillståndets fysik, den exakta interaktionen mellan elektroner analyseras genom noggrant detektivarbete, i slutändan för att få en bättre förståelse av grundläggande fysiska fenomen.

Det kommer inte som någon överraskning för fans av thrillergenren att för att lösa ett fall, fingeravtryck måste noggrant lokaliseras på brottsplatsen. I dagens fasta tillståndsfysik, forskare letar efter spridningsprocesser - interaktioner mellan elektroner - som innehåller de ledtrådar som krävs för att komma närmare sanningen.

Att avslöja dessa avgörande tips är särskilt svårt när det gäller komplexa material, där många elektroner spelar en roll samtidigt. I så kallade "många-elektronsystem, " biljoner elektroner kan kopplas till varandra och utbyta energi och momentum. Vid Wiens tekniska universitet, universitetet i Tübingen och École Polytechnique i Paris, forskare har gjort viktiga framsteg:med hjälp av en exakt analys, nya strukturer identifierades – karakteristiska mönster i de komplicerade spridningsprocesserna som kan hjälpa till att "klara fallet".

Spridningsprocesser och materialegenskaper

Bland andra fastigheter, spridningsprocesser bestämmer laddningsbärarnas rörlighet och styr därmed om systemet slutligen uppvisar en metallisk, isolerande eller till och med supraledande beteende. Enkelt uttryckt, dessa matematiska storheter återspeglar hur starkt elektronerna samverkar. Med hjälp av omfattande datorsimuleringar, forskare om kondenserad materia försöker spika fast de fysiska egenskaperna hos många elektronsystem, och i slutändan svara på grundläggande frågor om fasta tillståndets fysik, till exempel:"Hur fungerar okonventionella supraledare?" eller "Hur sker kvantfysikaliska fasövergångar vid absolut noll?"

Ett internationellt forskarlag, inklusive gruppen av professor Alessandro Toschi (Patrick Chalupa, Matthias Reitner och Daniel Springer) från TU Wien, Professor Sabine Andergassen från universitetet i Tübingen och Thomas Schäfer från École Polytechnique i Paris, har gjort viktiga framsteg i detta avseende. En djupgående analys av spridningsprocesserna och deras jämförelse i olika fysiska situationer gjorde det möjligt att identifiera tydliga "fingeravtryck". Resultaten av studien publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Nya kopplingar har upptäckts

I likhet med kriminaltekniker på en brottsplats, forskarna försökte koppla ihop många små detaljer för att se helheten. De lyckades identifiera karakteristiska strukturer i de komplexa matematiska storheter som beskriver spridningsprocesserna och relatera dessa strukturer till två grundläggande fenomen inom fasta tillståndets fysik. Dessa fundamentala fenomen visade sig vara bildandet av lokala magnetiska moment samt deras screening på grund av den så kallade Kondo-effekten, som båda på ett avgörande sätt styr elektronernas rörlighet. Denna nya anslutning gör det möjligt att känna igen de relevanta fysiska effekterna i de komplexa spridningsprocesserna med bara en blick. Genom att identifiera dessa "fingeravtryck, "Det var till och med möjligt att upptäcka ett alternativt kriterium för att bestämma en av de mest grundläggande energiskalorna i teoretisk fast tillståndsfysik:Kondo-temperaturen.

Så småningom, dessa fynd kan kasta nytt ljus över tidigare olösta mysterier i fasta tillståndets fysik, till exempel, kvantkriticitet i tunga fermionsystem, okonventionell supraledning i starkt korrelerade kvantmaterial och överraskande magnetiska fenomen i övergångsmetalloxider. Den korrekta bestämningen av de underliggande kvantfingeravtrycken skulle kunna sätta forskningen på rätt spår för att förstå dessa system på en grundläggande nivå.