Роль длинноволновых неоднородностей в непрерывном переходе Мотта в муаровых полупроводниках
Даже незначительное количество несовершенств, присущих любому реальному материалу, играет ключевую роль в раскрытии универсальной физики, связанной с экспериментальным переходом металл- изолятор. Понимание физики этого загадочного фазового перехода может привести к созданию новых сложных микроскопических схем, сверхпроводников и экзотических изоляторов, которые могут найти применение в квантовых вычислениях.
(а) Упрощенная фазовая диаграмма непрерывного ПМИ, показывающая металлический, (моттовский) изолирующий и критический режимы, где T∗∼|g−g c | νz обозначает кроссоверную шкалу с ν, z — критическими показателями чистой теории [4].
(b) Типичный снимок пути перколяционного тока (зеленый), состоящего из металлических резисторов (синий) для точки, обозначенной ①, глубоко в металлическом режиме.
(c) Перколяционная магистраль для точки ② содержит металлические и критические резисторы (красные).
(d) Для той же точки ② введение конечного сопротивления из-за термически активированных резисторов (светло-красный) способствует просачиванию основной цепи.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.066301
Между металлами, через которые свободно текут электроны, и электрическими изоляторами, в которых электроны практически неподвижны, есть существенные различия. И несмотря на очевидные трудности в поиске способа переключаться с металла на изолятор внутри одного материала и обратно, физики пытаются понять, как это сделать.
«Скажем, вы хотите поместить миллиарды элементов схемы на крошечный чип, а затем контролировать в микроскопическом масштабе, является ли только один из элементов металлическим или изолирующим контролируемым образом», — сказал Дебанджан Чоудхури, доцент кафедры физики в колледже искусств и наук (A&S). «Было бы замечательно, если бы вы могли управлять микроскопическим устройством одним щелчком переключателя».
Изучая недавние прошлые экспериментальные результаты, чтобы попытаться согласовать эксперимент и теорию, Чоудхури и докторант Сунхун Ким обнаружили, что даже незначительное количество несовершенств, присущих любому реальному материалу, играет ключевую роль в раскрытии универсальной физики, связанной с экспериментальным переходом металл- изолятор. Понимание физики этого загадочного фазового перехода может привести к созданию новых сложных микроскопических схем, сверхпроводников и экзотических изоляторов, которые могут найти применение в квантовых вычислениях.
«Непрерывный переход Мотта в муаровых полупроводниках: роль длинноволновых неоднородностей» был опубликован 9 февраля в журнале Physical Review Letters.
В влиятельной статье Nature 2021 года исследователи Корнелла во главе с Кин Фай Мак, профессором физики (A&S), и Джи Шаном, профессором прикладной и инженерной физики (инженерия), продемонстрировали переход между металлом и изолятором в одном материале. Одновременный эксперимент, проведенный исследователями из Колумбийского университета, сообщил об аналогичных явлениях в другом материале.
Однако экспериментальные результаты не соответствовали давней теории, предсказывающей, как должно вести себя электрическое сопротивление, сказал Чоудхури, соавтор статьи 2021 года.
По словам Чоудхури, ученые использовали различные стратегии в стремлении превратить металл в изолятор. Один из них заключается в добавлении в материал примесей, которые действуют как барьеры и препятствуют движению электронов. Но этот подход не очень гибкий, сказал он. Легче превратить металл в изолятор, чем наоборот.
Другой подход заключается в постепенном истощении запаса электронов в металле — почти как «закрытие крана», сказал он. По словам Чоудхури, это может создать изолятор, но, как правило, он не обладает какими-либо интересными свойствами.
«Настоящее волнение от эксперимента Корнелла 2021 года, — сказал Чоудхури, — заключается в том, что они выяснили, как превратить металл в изолятор без добавления примесей в систему или изменения количества электронов».
Мак и Шан использовали муаровую решетку — недавнюю инновацию, которую они впервые изобрели, — чтобы сделать сэндвич из двух 2D-слоев полупроводниковых материалов, а затем приложили электрическое поле в перпендикулярном направлении, чтобы переключать материал между металлом и изолятором.
Теория, предложенная в 2008 году Сентилом Тодадри из Массачусетского технологического института, предсказывала, что по мере того, как материал приближается к точке перехода от металла к изолятору, сопротивление материала подскакивает на универсальную величину, определяемую только фундаментальными константами природы.
«Эксперимент показал, что на практике это не так», — сказал Чоудхури. «Но в то же время эксперимент выявил другие особенности, которые ясно продемонстрировали, что физика, наблюдаемая во время этого перехода, была универсальной».
Анализируя эксперимент 2021 года, Ким и Чоудхури помнили, что теория 2008 года Тодадри, соавтора настоящего исследования, была основана на идеальном кристалле без дефектов.
«Чтобы решить загадку, — сказал Чоудхури, — наша исходная догадка заключалась в том, что переход, возможно, не так проявляется в реальном устройстве. Реальные устройства всегда будут иметь некоторые несовершенства. Но возможно ли, что несовершенства помогают раскрыть универсальное и интересное особенности перехода металл-изолятор?»
По словам Чоудхури, поскольку экспериментаторы изменили электрическое поле, вполне вероятно, что разные части материала претерпели переход от металла к изолятору при разных значениях электрического поля из-за небольшого количества врожденных дефектов. Следовательно, протекающие электроны должны найти путь через эти «островки» изолирующих областей, погруженных в «море» металла.
Чтобы объяснить экспериментальные наблюдения, исследователи пришли к выводу, что в материале есть три типа областей: металлические, которые имеют низкое сопротивление; изоляторы, имеющие очень большое сопротивление; и металлические, но с универсальным большим сопротивлением, определяемым только фундаментальными константами природы. По словам Чоудхури, соединение наблюдений с теорией помогает прояснить возможную природу полученного изолятора, который может обладать интересными и полезными свойствами.
У него могут быть задатки квантовой спиновой жидкости, в которой заряд электрона высвобождается из его спина, что приводит к состоянию, где электрон фактически распадается на новые виды возникающих возбуждений. Поскольку это экзотическое состояние может кодировать все виды информации в нелокальных возбуждениях, оно считается ключевым шагом на пути к квантовым вычислениям.
«Теоретически мы знали о возможном существовании квантовых спиновых жидкостей в природе, — сказал Чоудхури, — но эти эксперименты приближают нас к мечте о реализации их в лаборатории».
