_ Dincolo de echilibru: oamenii de știință îl investighează pe Floquet Lichide Fermi

Cercetătorii din Germania și Singapore au studiat o stare de neechilibru a lichidelor Fermi numită lichid Floquet Fermi (FFL), care se formează atunci când lichidele Fermi sunt supuse unei forțe motrice periodice și menținute în contact cu o baie fermionică.

Lichidele Fermi sunt sisteme mecanice cuantice în care fermionii (precum electronii dintr-un metal) se comportă în mod colectiv previzibil la temperatura zero absolut, echivalent cu 0 Kelvin sau -273,15°C.

Fermionii sunt una dintre cele două clase fundamentale de particule din univers și se supun statisticilor Fermi-Dirac (FD). Aceasta descrie distribuția lor atunci când sistemul este în echilibru termic.

Aici întâlnim un sistem cuantic interesant numit lichid Fermi. Termenul „Lichid Fermi” provine de la ideea că, similar cu modul în care un lichid curge liber și își poate schimba forma, fermionii dintr-un lichid Fermi se mișcă relativ liber în interiorul materialului datorită comportamentului lor colectiv.

Pentru Fermi. lichide, comportamentul fermionilor este caracterizat de o suprafață Fermi. Suprafața Fermi marchează o separare a stărilor energetice ale lichidului Fermi, indicând stările de energie umplute și goale ocupate de fermioni.

Cercetătorii au fost motivați să înțeleagă ce se întâmplă cu electronii atunci când li se aplică o forță motrice periodică. în timp ce este cuplat cu o baie de căldură fermionică.

Studiul, publicat în Physical Review Letters, a fost realizat de Dr. Li-kun Shi și Dr. Inti Sodemann Villadiego de la Universität Leipzig din Germania și Dr. Oles Matsyshyn și dr. Justin C. W. Song de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore.

Phys.org a vorbit cu cercetătorii, care au citat o întrebare mai mare la care sperau să răspundă: există fotocurenți (curenți care rezultă din iluminarea unui material) în cristale pure în vrac (cum ar fi metalele și semiconductoarele), chiar și atunci când materialul nu absoarbe lumina?

Această întrebare i-a condus la lichidul Floquet Fermi.

Lichidul Floquet Fermi

p>

Într-un lichid Fermi, stările de energie sunt continue, cu stări de energie plină sub energia Fermi și stări goale deasupra acesteia. Nivelul de energie Fermi marchează nivelul de energie la care probabilitatea de a găsi o stare de fermion trece de la aproape 100% ocupat la aproape 0% ocupat.

La zero absolut, toate stările până la energia Fermi sunt umplute și toate stările de deasupra ei sunt goale. Acest nivel de energie definește efectiv suprafața Fermi în spațiul de impuls: un concept teoretic care ajută la vizualizarea a ceea ce se întâmplă în interiorul materiei.

Când aplicăm o forță periodică asupra unui lichid Fermi, nivelurile sale normale de energie sunt modificate la Benzile Floquet, care sunt nivelurile de energie modificate ale lichidului Fermi datorită forței motrice. Gândiți-vă la asta ca pe niște ondulații care se formează la suprafața apei.

Cercetătorii au vrut acum să înțeleagă ce se întâmplă dacă acest sistem este îndepărtat de echilibru. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au introdus o baie fermionică, care este un rezervor sau un mediu compus din fermioni.

Cercetătorii au descoperit că lichidul Fermi rezultat este într-o stare banală, denumită lichid Floquet Fermi. Ei au descoperit că lichidul rezultat nu a urmat statisticile tipice FD.

În acest caz, starea FFL este considerată netrivială deoarece apare ca urmare a interacțiunii dintre forțele motrice periodice, interacțiunile fermionice, și mediul înconjurător.

În loc de o tranziție lină a stărilor de energie, asemănătoare cu un singur salt observat de obicei în distribuțiile de echilibru FD, ocuparea stărilor de energie a arătat un model asemănător unei scări cu mai multe salturi.

„Fiecare dintre aceste sărituri duce la apariția unei noi suprafețe Fermi (suprafața Floquet Fermi)”, a explicat dr. Shi.

„Suprafețele Floquet Fermi care apar în starea FFL, sunt închise una în cealaltă”, a adăugat dr. Matsyshyn.

Gândiți-vă la ea ca suprafețe Fermi stratificate, asemănătoare cu cea rusă. situația păpușilor cuibărite. Aceste suprafețe Floquent Fermi afectează comportamentul întregului sistem, dând naștere unor fenomene specifice.

Oscilațiile cuantice sunt modificări periodice ale proprietăților unui material, cum ar fi rezistența, în funcție de parametri externi precum câmpul magnetic sau presiunea.

Cercetătorii au observat modele de bătaie în oscilațiile cuantice sub influența unui câmp magnetic extern în cazul FFL.

Aceste modele apar din cauza interferenței dintre suprafețele Floquet Fermi de diferite dimensiuni. , care sunt imbricate unul în celălalt. Prezența mai multor suprafețe Floquet Fermi duce la efecte de interferență constructive și distructive, ducând la oscilații ale rezistenței.

„Modele de bătaie în oscilațiile cuantice sunt în concordanță cu experimentele observate cu oscilațiile de rezistență induse de microunde (MIRO). în sisteme electronice bidimensionale”, a explicat dr. Song.

De asemenea, oferă un mijloc de a proiecta și adapta comportamentul electronic al sistemului.

Dr. Villadiego a spus: „Prezența mai multor suprafețe Fermi permite un control mai mare asupra proprietăților electronice ale sistemului. Prin reglarea frecvenței sau intensității luminii, putem manipula forma și separarea suprafețelor Floquet Fermi.”

Acest lucru oferă noi posibilități de control al comportamentului electronic.

Una dintre cele mai interesante lecții pe care le subliniază cercetătorii este că starea de echilibru nu trebuie văzută, așa cum a spus dr. Shi, ca „un fel de versiune plictisitoare, puțin mai fierbinte a distribuției FD de echilibru."

"În schimb, sistemul se apropie de o stare de echilibru, care are o densitate de energie mai mare decât starea de echilibru, dar această energie în exces nu este stocată ca un fel de căldură fără trăsături, dar duce în schimb la o rearanjare foarte precisă a ocupării stărilor care păstrează o natură cuantică precisă”, a spus dr. Matsyshyn.

Cercetătorii au furnizat, de asemenea, condiții sau criterii care trebuie îndeplinite pentru a realiza FFL experimental. Ei au enumerat, de asemenea, câteva căi potențiale pentru lucrări viitoare, dintre care una este întrebarea inițială a fotocurentului în materialele în vrac.

„Folosind starea noastră lichidă Floquet Fermi, se poate demonstra riguros că este într-adevăr posibil chiar și pur lumină monocromatică pentru a conduce un curent net redresat, chiar și atunci când frecvența sa este în interiorul golului”, a spus dr. Villadiego.

„Aceste idei ar putea fi relevante pentru dezvoltarea de noi tehnologii optoelectronice, cum ar fi amplificatoare de lumină, senzori. , celule solare și dispozitive de colectare a energiei”, a concluzionat dr. Song.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)