Ένα πρόσφατο πείραμα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature αμφισβητεί την εικόνα που έχουμε για το πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια στα κβαντικά υλικά. Στοιβάζοντας στρώματα ενός υλικού που ονομάζεται διτελλουρίδιο του βολφραμίου, οι ερευνητές παρατήρησαν ηλεκτρόνια σε δύο διαστάσεις να συμπεριφέρονται σαν να βρίσκονταν σε μια διάσταση. Και κατά την διαδικασία αυτή δημιούργησαν αυτό που ισχυρίζονται ότι αποτελεί μια νέα ηλεκτρονική κατάσταση της ύλης.
«Ανοίγεται ένας εντελώς νέος ορίζοντας», δηλώνει ο Sanfeng Wu, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Princeton και επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας. «Καταφέραμε να δημιουργήσουμε μια νέα ηλεκτρονική φάση με αυτό το πείραμα — βασικά, ένα νέο είδος μεταλλικής κατάστασης».
Η τρέχουσα κατανόησή μας για τη συμπεριφορά των αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων στα μέταλλα μπορεί να περιγραφεί από μια θεωρία που λειτουργεί καλά στα διδιάστατα και τριδιάστατα συστήματα, αλλά καταρρέει όταν επιχειρεί να περιγράψει την αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων σε μία μόνο διάσταση.
«Αυτή η θεωρία περιγράφει την πλειοψηφία των μετάλλων που γνωρίζουμε», λέει ο Wu. «Η θεωρία ορίζει πως τα ηλεκτρόνια των μετάλλων -αν και αλληλεπιδρούν έντονα- θα πρέπει να συμπεριφέρονται σαν ελεύθερα ηλεκτρόνια, εκτός από το ότι μπορεί να έχουν διαφορετικές τιμές σε ορισμένες χαρακτηριστικές ποσότητες, όπως η ιδιοστροφορμή».
Ωστόσο, στα μονοδιάστατα συστήματα, η θεωρία αυτή (θεωρία του υγρού Fermi – ή θεωρία των κβαντικών υγρών τύπου Fermi) δίνει τη θέση της σε μια άλλη, τη θεωρία του υγρού Luttinger (ή των υγρών Luttinger), για να περιγράψει την αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων.
«Η θεωρία του υγρού Luttinger παρέχει ένα βασικό σημείο εκκίνησης για την κατανόηση των αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων σε μία διάσταση», λέει ο Wu. «Τα ηλεκτρόνια σε ένα μονοδιάστατο πλέγμα συσχετίζονται τόσο έντονα μεταξύ τους που, κατά μία έννοια, αρχίζουν να μην συμπεριφέρονται ως ελεύθερα ηλεκτρόνια».
Η θεωρία του υγρού Fermi παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τον βραβευμένο με Νόμπελ L.D. Landau. Η θεωρία του Luttinger πέρασε από μια μακρά διαδικασία βελτιώσεων πριν γίνει ευρέως αποδεκτή από τους φυσικούς. Το θεωρητικό μοντέλο προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Ιάπωνα νικητή του βραβείου Νόμπελ Shinichiro Tomonaga τη δεκαετία του 1950 και διατυπώθηκε ανεξάρτητα από τον J.M. Luttinger αργότερα το 1963.
Η λύση, ωστόσο, που παρείχε ο Luttinger ήταν ανεπαρκής. Έτσι, το 1965, ανέλαβε την πρόκληση ο μαθηματικός και φυσικός του Princeton, Elliott Lieb (σήμερα καθηγητής Φυσικής), παρέχοντας τελικά μια σωστή λύση. Το 1981, ένας άλλος φυσικός και βραβευμένος με Νόμπελ, ο F. Duncan Haldane, χρησιμοποίησε το μοντέλο για να κατανοήσει τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης μονοδιάστατων μετάλλων. Ο Haldane καθιέρωσε τον όρο “υγρά Luttinger” και έθεσε τα θεμέλια για τη σύγχρονη θεωρία των υγρών Luttinger, ως μια γενική περιγραφή για μονοδιάστατα μέταλλα.
Για ένα μεγάλο διάστημα, οι δύο αυτές θεωρίες -η θεωρία του υγρού Fermi και η θεωρία του υγρού Luttinger- αποτελούσαν τις κεντρικές για την κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, σύμφωνα με τις διαστάσεις στις οποίες βρίσκονται.
Υπήρχαν όμως σημάδια πως οι αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων είναι πολύ πιο περίπλοκες από όσο εμφανίζονται σε αυτή την απλή ταξινόμηση. Ο Philip Anderson, ένας τιμημένος με Νόμπελ φυσικός του Princeton, τη δεκαετία του 1990 πρότεινε ότι ενδεχομένως να υπάρχουν ορισμένες “εξωτικές” περιπτώσεις στις οποίες η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε διδιάστατα συστήματα, θα μπορούσε επίσης να ακολουθήσει τις προβλέψεις της θεωρίας υγρού Luttinger. Με άλλα λόγια, παρότι η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε διδιάστατα συστήματα τυπικά εξηγείται από τη θεωρία του υγρού Fermi, ο Άντερσον αναρωτήθηκε εάν αυτά τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται -αντίθετα από αυτό που θα περιμέναμε- ως ένα υγρό Luttinger, σαν να βρίσκονταν δηλαδή σε ένα μονοδιάστατο σύστημα.
Αυτό όμως ήταν κάτι υποθετικό. Δεν υπήρχαν πειράματα που να συνδέονται με αυτές τις εξωτικές περιπτώσεις.
Μέχρι τώρα!
Πειραματιζόμενοι, ο Wu και η ομάδα του ανακάλυψαν ότι τα ηλεκτρόνια σε μια ειδικά δημιουργημένη διδιάστατη δομή υλικού, όταν ψύχθηκαν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, άρχισαν ξαφνικά να συμπεριφέρονται όπως προέβλεπε η θεωρία υγρού Luttinger. Δηλαδή σαν συσχετισμένα ηλεκτρόνια σε μία μονοδιάστατη κατάσταση.
Οι ερευνητές εκτέλεσαν το πείραμά χρησιμοποιώντας ένα υλικό που ονομάζεται διτελλουρίδιο του βολφραμίου, ένα διατεταγμένο σε στρώσεις ημιμέταλλο. Το ημιμέταλλο είναι μια ένωση με ιδιότητες που την τοποθετούν μεταξύ μετάλλων και μονωτών. Οι ερευνητές του Princeton, Leslie Schoop (επίκουρος καθηγητής χημείας), και ο Robert Cava (καθηγητής Χημείας), και οι ομάδες τους παρήγαγαν υψηλής ποιότητας κρυστάλλους διτελλουριδίου του βολφραμίου. Η ομάδα του Wu στη συνέχεια δημιούργησε μονατομικές στρώσεις από αυτό υλικό και στοίβαξε δύο από αυτές, για τη μελέτη.
«Στοιβάξαμε μονοστιβάδες διτελλουριδίου του βολφραμίου τη μία πάνω στην άλλη και τις συστρέψαμε έτσι ώστε να σχηματίζουν γωνία είτε 5 είτε 6 μοιρών», δήλωσε ο Pengjie Wang, κύριος συν-συγγραφέας της εργασίας και μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης. Αυτό δημιούργησε ένα μεγάλο ορθογώνιο πλέγμα που ονομάζεται μοτίβο moiré, γιατί μοιάζει με ένα συχνό μοτίβο των γαλλικών υφασμάτων.
Η ομάδα αρχικά σκόπευε να παρατηρήσει το πώς θα επηρέαζε η γωνία συστροφής τους άλλους τύπους κβαντικών φαινομένων στο διτελλουρίδιο του βολφραμίου. Όμως αυτό που βρήκαν τους εξέπληξε.
«Στην αρχή, ήμασταν μπερδεμένοι από τα αποτελέσματα», δηλώνει ο Wang. «Αλλά αποδείχθηκε ότι ήταν σωστά».
Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια, αντί να κινούνται ελεύθερα, άρχισαν να εμφανίζουν έντονη συγκέντρωση σε γραμμική διάταξη, η οποία είναι ενδεικτική για ηλεκτρόνια σε ένα μονοδιάστατο σύστημα.
«Αυτό που έχουμε εδώ είναι μια διδιάστατη μεταλλική κατάσταση που δεν περιγράφεται από την τυπική θεωρία υγρού Fermi», αναφέρει ο Wu. «Για πρώτη φορά, βρίσκουμε μια εντελώς νέα ηλεκτρονική φάση της ύλης σε δύο διαστάσεις που περιγράφεται από την υγρή θεωρία Luttinger».
Ο Guo Yu, κύριος συν-συγγραφέας της εργασίας και μεταπτυχιακός φοιτητής στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών υπολογιστών, λέει πως οι ιδιότητες του υλικού εμφανίζουν αξιοσημείωτη εναλλαξιμότητα μεταξύ της ομοιόμορφης προς όλες τις κατευθύνσεις συμπεριφοράς (ισότροπες ιδιότητες) και της εμφάνισης μεταβολών όταν μετρώνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις (ανισότροπη συμπεριφορά φυσικών ιδιοτήτων).
«Αυτό που είναι μοναδικό για το συνεστραμμένο σύστημα διστελλουριδίου του βολφραμίου διπλής στιβάδας μας είναι ότι, σε αντίθεση με τα περισσότερα από τα άλλα μονοστρωματικά υλικά και τα υπερδικτυώματα moiré που είναι ισότροπα, το μοτίβο moiré στο δικό μας δείγμα είναι εξαιρετικά ανισότροπο, στοιχείο ζωτικής σημασίας για την διεξαγωγή μονοδιάστατης φυσικής», δηλώνει.
Μια νέα μεταλλική φάση μπορεί να ακούγεται σαν να έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές, αλλά ο Wu θυμίζει πως πρόκειται για προκαταρκτική έρευνα. «Χρειάζονται επιπλέον εργασίες προτού μπορέσουν να πραγματοποιηθούν τέτοιες εφαρμογές»
Ωστόσο, ο ίδιος είναι αισιόδοξος για το μέλλον. «Αυτό μπορεί να βοηθήσει στο να ανοίξει ένα εντελώς νέο παράθυρο για να εξετάσουμε νέες κβαντικές φάσεις της ύλης», είπε. «Τα επόμενα χρόνια, θα δούμε πολλά νέα ευρήματα να προκύπτουν από αυτή την έρευνα».
Παραπομπές:
Pengjie Wang et al, One-dimensional Luttinger liquids in a two-dimensional moiré lattice, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04514-6
Πηγή: https://phys.org/
