En schematisk illustration av en krets i nanoskala. En kvantprick (den gula delen) är ansluten till två ledningselektroder (de blå delarna). Elektroner som tunnlar in i kvantpunkten från elektroderna interagerar med varandra för att bilda ett högkorrelerat kvanttillstånd, kallas "Fermi-vätska". Både olinjär elektrisk ström som passerar genom kvantpunkten och dess fluktuationer som uppträder som ett brus bär viktiga signaler, som kan avslöja kvantvätskans underliggande fysik. Det klargörs att trekroppskorrelationer av elektronerna utvecklas signifikant och spelar viktiga roller i kvanttillståndet under de yttre fälten som bryter partikelhålet eller tidsomkastningssymmetri. Kredit:Rui Sakano
Forskare vid Osaka City University har utvecklat matematiska formler för att beskriva strömmen och fluktuationerna hos starkt korrelerade elektroner i kvantprickar. Deras teoretiska förutsägelser kan snart testas experimentellt.
Teoretiska fysiker Yoshimichi Teratani och Akira Oguri från Osaka City University, och Rui Sakano vid University of Tokyo har utvecklat matematiska formler som beskriver ett fysiskt fenomen som händer inom kvantprickar och andra material i nanostorlek. Formlerna, publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , skulle kunna tillämpas på ytterligare teoretisk forskning om kvantprickarnas fysik, ultrakalla atomgaser, och kvarkar.
Det handlar om Kondo-effekten. Denna effekt beskrevs första gången 1964 av den japanske teoretiska fysikern Jun Kondo i vissa magnetiska material, men nu verkar det hända i många andra system, inklusive kvantprickar och andra material i nanoskala.
I vanliga fall, det elektriska motståndet sjunker i metaller när temperaturen sjunker. Men i metaller som innehåller magnetiska föroreningar, detta händer bara ner till en kritisk temperatur, bortom vilket motståndet stiger med fallande temperaturer.
Forskare kunde så småningom visa att, vid mycket låga temperaturer nära absolut noll, elektronsnurr blir intrasslade med magnetiska föroreningar, bildar ett moln som avskärmar deras magnetism. Molnets form förändras med ytterligare temperaturfall, leder till ökat motstånd. Samma effekt inträffar när andra yttre "störningar, " som en spänning eller magnetfält, appliceras på metallen.
Teratani, Sakano och Oguri ville utveckla matematiska formler för att beskriva utvecklingen av detta moln i kvantprickar och andra nanoskala material, vilket inte är en lätt uppgift.
För att beskriva ett så komplext kvantsystem, de började med ett system vid absolut noll där en väletablerad teoretisk modell, nämligen Fermi flytande teori, för interagerande elektroner är tillämplig. De lade sedan till en "korrigering" som beskriver en annan aspekt av systemet mot yttre störningar. Genom att använda denna teknik, de skrev formler som beskrev elektrisk ström och dess fluktuationer genom kvantprickar.
Deras formler indikerar att elektroner interagerar inom dessa system på två olika sätt som bidrar till Kondo-effekten. Först, två elektroner kolliderar med varandra,
bildar väldefinierade kvasipartiklar som fortplantar sig i Kondo-molnet. Mer betydande, en interaktion som kallas trekroppsbidrag inträffar. Detta är när två elektroner kombineras i närvaro av en tredje elektron, orsakar ett energiskifte av kvasipartiklar.
"Formlernas förutsägelser kan snart undersökas experimentellt, "Säger Oguri. "Studier i linje med denna forskning har bara börjat, " han lägger till.
Formlerna kan också utökas för att förstå andra kvantfenomen, såsom kvantpartikelrörelse genom kvantpunkter kopplade till supraledare. Kvantprickar kan vara en nyckel för att förverkliga kvantinformationsteknologier, som kvantdatorer och kvantkommunikation.
