Физики Университета Рутгерса выполнили компьютерное моделирование, которое показывает, как электроны становятся в тысячу раз более массивными в определенных металлических соединениях при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю - точке, где прекращается всякое движение. Модели могут дать новые сведения о том, как работает сверхпроводимость и как можно изготовить новые сверхпроводящие материалы.
В статье, опубликованной на сайте Science Express, веб-сайте отчетов об исследованиях, который планируется опубликовать в будущих печатных изданиях Science, исследователи описывают, как электроны взаимодействуют с другими частицами в этих соединениях, превращаясь в то, что физики называют жидкостью «тяжелого вещества». квазичастицы» или «тяжелая фермионная жидкость».«Хотя этот эффект ранее наблюдался в некоторых материалах, в работе Рутгерса используются новые материалы, чтобы обеспечить уровень детализации, который до сих пор ускользал от ученых.
«В этой статье мы, по сути, отслеживаем судьбу электронов по мере снижения температуры», - сказал Габи Котляр, профессор физики в Школе искусств и наук. «Физики-экспериментаторы, возможно, видели разные аспекты этого поведения или видели поведение, которое не понимали. Наши расчеты подтверждают то, что они видели».
Исследователи из Рутгерса основывали свои модели на экспериментах с использованием нового металлического кристаллического соединения, состоящего из элементов церия, индия и иридия. Это и подобные соединения, заменяющие иридий кобальтом и родием, являются прекрасными испытательными полигонами для наблюдения за поведением тяжелых электронов.
В более ранних исследованиях использовались высокотемпературные сверхпроводящие материалы, называемые купратами, которые не давали физикам ясного представления о поведении электронов из-за нарушений в кристаллической структуре, вызванных легированием. Новые соединения на основе церия легче изучать, поскольку они не содержат примесей.
«Новые соединения для нас то же, что плодовые мушки для исследователей-генетиков», - сказал Кристьян Хауле, доцент кафедры физики и астрономии. «Плодовых мушек легко разводить, и они имеют простой набор генов, который легко изменить. Точно так же эти соединения легко получить, структурно простые и регулируемые, что дает нам более четкое представление о многих свойствах материи, возникающих при низких температурах. например, мы можем использовать магнитное поле, чтобы убить сверхпроводимость и изучить состояние вещества, из которого возникла сверхпроводимость».
Эти соединения являются примерами сильно коррелированных материалов или материалов с сильно взаимодействующими электронами, которые не могут быть описаны теориями, рассматривающими электроны как в значительной степени независимые сущности. Термин «тяжелые квазичастицы» относится к тому, как электроны взаимодействуют друг с другом и в результате этих взаимодействий образуют новый тип частиц, называемый «квазичастицами»."
Объясняя, как этот эффект проявляется при низких температурах и исчезает при более высоких, Хауле отметил, что электроны на f-орбиталях прочно связаны с атомами церия при комнатной температуре. Но когда температура падает, электроны проявляют когерентное поведение или делокализацию от своих атомов. При 50 градусах выше абсолютного нуля, или 50 градусах Кельвина, исследователи ясно наблюдают квазичастицы, поскольку электроны взаимодействуют друг с другом и другими электронами в металле, известными как электроны проводимости..
Работа, проделанная Хауле и его коллегами, относится к области физики, известной как физика конденсированного состояния, которая занимается физическими свойствами твердого и жидкого вещества. Их модели тяжелых квазичастиц основаны на более ранней работе Холе, объединяющей две теории атомного моделирования, известные как приближение локальной плотности и теория динамического среднего поля, или LDA+DMFT..
С Хауле и Котляром сотрудничал Джи-Хун Шим, научный сотрудник с докторской степенью. Их исследование поддержали Отдел исследования материалов Национального научного фонда и Центр теории материалов Рутгерса. Шим получил финансирование для постдокторских исследований от Корейского исследовательского фонда.