了解粒子在宏观和量子世界之间的模糊地带的行为,使我们能够接触到令人着迷的现象,从基础和面向应用的物理学角度来看都很有趣。例如,超薄类石墨烯材料是研究电子传输和相互作用的绝佳场所。最近,基础科学研究所(IBS,韩国)复杂系统理论物理中心(PCS)的研究人员与Rzhanov半导体物理研究所(俄罗斯)合作,报告了二维材料中的一种新型电子散射现象。该论文发表于物理评论快报。
该团队考虑了一个由两个子系统组成的样本:一个由整数自旋的粒子(玻色子)组成,另一个由半整数自旋的粒子(费米子)组成。
对于玻色子成分,他们模拟了激子气体(电子-正电子对)。在低温下,量子力学可以迫使大量玻色子粒子形成玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。这种物质状态已经在不同的材料中被报道过,特别是砷化镓(GaAs),并且在二硫化钼(MoS2)中也被预测过。
费米子子系统是一个二维电子气体(2DEG),其中电子被限制在二维中移动。它表现出有趣的磁和电现象,包括超导性,即电流无电阻通过。这些现象与电子散射有关,而电子散射主要是由杂质和声子引起的。后者是晶格的振动。它们的名字来源于希腊语“phonos”,意思是声音,因为长波长声子可以发出声音,但它们也在金属的温度依赖性电导率中发挥作用。
玻色子和费米子在量子水平上是非常不同的,那么当我们把BEC和2DEG结合在一起时会发生什么呢?Kristian Villegas, Meng Sun, Vadim Kovalev和Ivan Savenko已经建立了这种混合系统中的电子传递模型。
除了传统的声子和杂质之外,研究小组还描述了BEC- 2deg混合系统中的一种非常规电子散射机制:电子与一个或两个Bogoliubov量子(或bogolons)的相互作用-具有小动量的BEC激发。虽然声子和波戈隆有一些共同的特征,但研究小组发现它们有重要的区别。
根据模型,在一定温度范围内的高质量二硫化钼中,由双波格龙引起的电阻率优于由单波格龙、声子、单波格龙和杂质引起的电阻率。造成这种差异的原因是电子与波格龙之间的相互作用机制是电学性质的,而不是样品变形所描述的电子-声子相互作用。
该研究对新型高温超导体的设计有一定的指导意义。导电性和超导性之间有一个明显的矛盾:坏导体通常是好的超导体。在电子-声子相互作用的情况下,由于声子对电子的强烈散射,一些表现出导电性差的材料可以在非常低的温度下成为良好的超导体。出于同样的原因,贵金属,如金,是良导体,但却是坏的超导体。如果这也适用于电子-波戈隆相互作用,那么研究人员假设,设计一种由电子-2波戈隆相互作用引起的高电阻率的坏导体,可能会导致“良好”超导体。
“这项工作不仅为设计具有可控耗散的混合结构开辟了前景,它报告了低温和高温下散射的根本不同的温度依赖性,并揭示了光学控制凝聚介质超导性,”PCS纳米结构中的光-物质相互作用(LUMIN)团队的负责人Ivan Savenko解释说。
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