半导体晶格结合电子和磁矩

通过堆叠一对单层半导体创建的模型系统为物理学家提供了一种更简单的方法来研究混杂量子行为，从重费米子到奇异的量子相变。

该小组的论文“摩尔近藤晶格中的门可调重费米子”于15月<>日发表在《自然》杂志上。主要作者是康奈尔大学Kavli研究所的博士后研究员Wenjin Zhao。

该项目由文理学院物理学教授Kin Fai Mak和康奈尔工程学院应用和工程物理学教授Jie Shan领导，他们是该论文的共同资深作者。两位研究人员都是卡夫利研究所的成员;他们通过教务长的纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)计划来到康奈尔大学。

该团队着手解决所谓的近藤效应，该效应以日本理论物理学家Jun Kondo命名。大约六十年前，实验物理学家发现，通过取一种金属并用磁性杂质代替少量原子，它们可以散射材料的传导电子并从根本上改变其电阻率。

这种现象使物理学家感到困惑，但近藤用一个模型解释了它，该模型显示了传导电子如何“筛选”磁性杂质，使得电子自旋与磁性杂质的自旋在相反方向上配对，形成单重态。

虽然近藤杂质问题现在已经得到了很好的理解，但近藤晶格问题 - 一个具有规则的磁矩晶格而不是随机磁性杂质的问题 - 要复杂得多，并且继续困扰物理学家。近藤晶格问题的实验研究通常涉及稀土元素的金属间化合物，但这些材料有其自身的局限性。

“当你一直移动到元素周期表的底部时，你最终会在原子中得到大约70个电子，”麦说。“材料的电子结构变得如此复杂。即使没有近藤的互动，也很难描述正在发生的事情。

研究人员通过堆叠两种半导体的超薄单层来模拟近藤晶格：调谐到莫特绝缘状态的二碲化钼和掺杂有巡回传导电子的二硒化钨。这些材料比笨重的金属间化合物简单得多，并且它们以巧妙的扭曲堆叠在一起。通过以 180 度角旋转层，它们的重叠导致摩尔纹晶格图案，将单个电子捕获在微小的插槽中，类似于鸡蛋盒中的鸡蛋。

这种配置避免了数十个电子在稀土元素中混杂在一起的复杂性。简化的近藤晶格不需要化学来制备金属间化合物中的常规磁矩阵列，只需要一个电池。当施加电压恰到好处时，材料被排序形成自旋晶格，当一个拨到不同的电压时，自旋被淬灭，产生连续可调的系统。

“一切都变得简单得多，也更可控，”麦说。

研究人员能够连续调整自旋的电子质量和密度，这在传统材料中无法做到，在此过程中，他们观察到包裹有自旋晶格的电子可以变得比“裸”电子重10到20倍，这取决于施加的电压。

可调性还可以诱导量子相变，其中重电子变成轻电子，介于两者之间，可能出现一种“奇怪的”金属相，其中电阻随温度线性增加。这种转变的实现对于理解铜氧化物中的高温超导现象学特别有用。

“我们的研究结果可以为理论家提供实验室基准，”Mak说。“在凝聚态物理学中，理论家正试图处理一万亿个相互作用电子的复杂问题。如果他们不必担心实际材料中的其他并发症，例如化学和材料科学，那就太好了。因此，他们经常用“球形牛”近藤晶格模型研究这些材料。在现实世界中，你不能创造一个球形的牛，但是在我们的材料中，现在我们已经为近藤晶格创造了一个。

合著者包括博士生沈博文和陶祖;博士后康开飞和韩忠东;以及日本筑波国立材料科学研究所的研究人员。

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