Forskare från Tyskland och Singapore har studerat ett icke-jämviktstillstånd för Fermi-vätskor som kallas Floquet Fermi-vätskan (FFL), som bildas när Fermi-vätskor utsätts för en periodisk drivkraft och hålls i kontakt med ett fermioniskt bad.
Fermivätskor är kvantmekaniska system där fermioner (som elektroner i en metall) kollektivt beter sig förutsägbart vid absolut nolltemperatur, motsvarande 0 Kelvin eller -273,15°C.
Fermioner är en av de två grundläggande klasserna av partiklar i universum, och de lyder Fermi-Dirac (FD) statistik. Detta beskriver deras fördelning när systemet är i termisk jämvikt.
Det är här vi möter ett intressant kvantsystem som kallas en Fermi-vätska. Termen "Fermi-vätska" kommer från idén att på samma sätt som hur en vätska flyter fritt och kan ändra form, rör sig fermionerna i en Fermi-vätska relativt fritt i materialet på grund av deras kollektiva beteende.
För Fermi-vätskor kännetecknas fermionernas beteende av en Fermi-yta. Fermi-ytan markerar en separation i Fermi-vätskans energitillstånd, vilket indikerar fyllda och tomma energitillstånd som ockuperas av fermionerna.
Forskarna var motiverade att förstå vad som händer med elektroner när en periodisk drivkraft appliceras på dem samtidigt som de kopplas till ett fermioniskt värmebad.
Studien, publicerad i Physical Review Letters , leddes av Dr Li-kun Shi och Dr Inti Sodemann Villadiego från Universität Leipzig i Tyskland och Dr Oles Matsyshyn och Dr Justin C. W. Song från Nanyang Technological University i Singapore.
Phys.org talade med forskarna, som citerade en större fråga som de hoppades kunna besvara:Finns fotoströmmar (strömmar som härrör från belysning av ett material) i rena bulkkristaller (som metaller och halvledare) även när materialet inte absorberar ljus?
Denna fråga ledde dem till Floquet Fermi-vätskan.
The Floquet Fermi-vätska
I en Fermi-vätska är energitillstånden kontinuerliga, med fyllda energitillstånd under Fermi-energin och tomma tillstånd ovanför. Fermi-energinivån markerar den energinivå vid vilken sannolikheten att hitta ett fermiontillstånd övergår från nästan 100 % upptaget till nästan 0 % upptaget.
Vid absolut noll är alla tillstånd upp till Fermi-energin fyllda och alla tillstånd ovanför är tomma. Denna energinivå definierar effektivt Fermi-ytan i momentumrymden:ett teoretiskt koncept som hjälper till att visualisera vad som händer inuti materia.
När vi applicerar en periodisk kraft på en Fermi-vätska, modifieras dess normala energinivåer till Floquet-band, som är de modifierade energinivåerna för Fermi-vätskan på grund av drivkraften. Se det som krusningar som bildas på vattenytan.
Forskarna ville nu förstå vad som händer om detta system drivs långt från jämvikt. För att göra det introducerade forskarna ett fermionbad, som är en reservoar eller miljö som består av fermioner.
Forskarna fann att den resulterande Fermi-vätskan är i ett icke-stadigt trivialt tillstånd, kallat Floquet Fermi-vätska. De fann att den resulterande vätskan inte följde den typiska FD-statistiken.
I det här fallet anses FFL-tillståndet vara icke-trivialt eftersom det uppstår som ett resultat av samspelet mellan periodiska drivkrafter, fermioniska interaktioner och den omgivande miljön.
Istället för en mjuk övergång i energitillstånd, som liknar ett enda hopp som vanligtvis observeras i jämvikts-FD-fördelningar, visade ockupationen av energitillstånd ett trappliknande mönster med flera hopp.
"Var och en av dessa hopp leder till uppkomsten av en ny Fermi-yta (Floquet Fermi-ytan)," förklarade Dr. Shi.
"Floquet Fermi-ytorna som visas i FFL-tillståndet är inneslutna inuti varandra", tillade Dr. Matsyshyn.
Tänk på det som skiktade Fermi-ytor, liknande en rysk docka. Dessa Floquent Fermi-ytor påverkar det övergripande systemets beteende och ger upphov till specifika fenomen.
Kvantoscillationer är periodiska förändringar i ett materials egenskaper, såsom resistans, som en funktion av externa parametrar som magnetfält eller tryck.
Forskarna observerade slagmönster i kvantoscillationerna under påverkan av ett externt magnetfält i fallet med FFL.
Dessa mönster uppstår på grund av interferensen mellan Floquet Fermi-ytor av olika storlek, som är kapslade i varandra. Närvaron av flera Floquet Fermi-ytor leder till konstruktiva och destruktiva interferenseffekter, vilket resulterar i oscillationer i motståndet.
"Slagmönstren i kvantoscillationerna överensstämmer med observerade mikrovågsinducerade motståndsoscillationer (MIRO) experiment i tvådimensionella elektronsystem", förklarade Dr. Song.
De tillhandahåller också ett sätt att konstruera och skräddarsy systemets elektroniska beteende.
Dr. Villadiego sa:"Närvaron av flera Fermi-ytor möjliggör större kontroll över systemets elektroniska egenskaper. Genom att ställa in ljusets frekvens eller intensitet kan vi manipulera formen och separationen av Floquet Fermi-ytorna."
Detta ger nya möjligheter att kontrollera elektroniskt beteende.
En av de mest intressanta lärdomarna som forskarna påpekar är att steady state inte bör ses, som Dr. Shi uttryckte det, som "en sorts tråkig, lite hetare version av jämvikts-FD-fördelningen."
"Istället närmar sig systemet ett stabilt tillstånd, som har högre energitäthet än jämviktstillståndet, men denna överskottsenergi lagras inte som någon form av egenskapslös värme utan leder istället till en mycket exakt omarrangering av ockupationen av tillstånd som behåller en exakt kvantnatur", sa Dr. Matsyshyn.
Forskarna angav också villkor eller kriterier som ska uppfyllas för att förverkliga FFL experimentellt. De listade också flera potentiella vägar för framtida arbete, varav en är den ursprungliga frågan om fotoström i bulkmaterial.
"Med vårt flytande tillstånd Floquet Fermi kan man rigoröst visa att det verkligen är möjligt för rent monokromatiskt ljus att driva en nettolikriktad ström, även när dess frekvens är innanför gapet", säger Dr. Villadiego.
"Dessa idéer kan vara relevanta för utvecklingen av nya optoelektroniska teknologier såsom ljusförstärkare, sensorer, solceller och energiinsamlingsanordningar", avslutade Dr. Song.
Mer information: Li-kun Shi et al, Floquet Fermi Liquid, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.146402. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2309.03268
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
