Die Wissenschaftler lösen ein offenes theoretisches Problem der Elektronenwechselwirkungen

Anonim

Yale-NUS Associate Professor für Naturwissenschaften (Physik) Shaffique Adam ist der Hauptautor einer neueren Arbeit, die ein Modell für die Elektroneninteraktion in Dirac-Materialien beschreibt, eine Klasse von Materialien, die Graphen und topologische Isolatoren enthält und ein 65 Jahre altes Open löst theoretisches Problem in dem Prozess. Die Entdeckung wird Wissenschaftlern helfen, die Wechselwirkung zwischen Elektronen in neuen Materialien besser zu verstehen, und ebnet so den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher Elektronik wie schneller Prozessoren. Die Arbeit wurde am 10. August 2018 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht .

Das Elektronenverhalten wird von zwei Haupttheorien beherrscht - dem Coulombschen Gesetz und der Fermi-Flüssigkeitstheorie. Laut der Fermi-Flüssigkeitstheorie verhalten sich Elektronen in einem leitenden Material wie eine Flüssigkeit - ihr "Fluss" durch ein Material ist das, was Elektrizität verursacht. Bei Dirac-Fermionen zerfällt die Fermi-Flüssigkeitstheorie, wenn die Coulomb-Kraft zwischen den Elektronen eine bestimmte Schwelle überschreitet - die Elektronen "gefrieren" zu einem starreren Muster, das den "Fluss" von Elektronen hemmt, wodurch das Material nichtleitend wird.

Für mehr als 65 Jahre war dieses Problem eine mathematische Kuriosität, da Dirac-Materialien, bei denen die Coulomb-Schwelle erreicht wurde, noch nicht existierten. Heute nutzen wir routinemäßig Quantenmaterialien für Anwendungen in der Technologie, wie etwa Transistoren in Prozessoren, wo die Elektronen so konstruiert werden, dass sie die gewünschten Eigenschaften haben, einschließlich solcher, die die Coulomb-Kraft über diese Schwelle hinaus treiben. Aber die Auswirkungen einer starken Elektron-Elektron-Wechselwirkung können nur in sehr sauberen Proben beobachtet werden.

In der Arbeit unmittelbar nach seiner Promotion schlug Associate Professor Adam ein Modell vor, um experimentell verfügbare Dirac-Materialien zu beschreiben, die "sehr schmutzig" waren, was bedeutet, dass sie viele Verunreinigungen enthalten. In den folgenden Jahren wurden jedoch neue und sauberere Materialien hergestellt, und die ältere Theorie funktionierte nicht mehr.

In seiner neuesten Arbeit mit dem Titel "Die Rolle von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen in zweidimensionalen Dirac-Fermionen" haben Associate Professor Adam und sein Forschungsteam ein Modell entwickelt, das Elektronenwechselwirkungen über die Coulomb-Schwelle hinweg in allen Dirac-Materialien erklärt numerische und analytische Techniken.

In dieser Studie entwickelte das Team eine Methode, um die Entwicklung von physikalischen Observablen in kontrollierbarer Weise zu untersuchen, und nutzte sie, um die konkurrierenden Effekte von Nah- und Fernbereichen in Modellen der Coulomb-Wechselwirkung zu adressieren. Die Forscher entdeckten, dass die Geschwindigkeit der Elektronen (die "Strömungsgeschwindigkeit") in einem Material abnehmen könnte, wenn die kurzreichweitige Wechselwirkung, die den isolierenden "eingefrorenen" Zustand begünstigte, dominierte. Die Geschwindigkeit der Elektronen könnte jedoch durch die Fernkomponente erhöht werden, die den leitenden "flüssigen" Zustand begünstigt. Mit dieser Entdeckung können Wissenschaftler Wechselwirkungen von Elektronen auf nicht-perturbative Weise besser verstehen - etwas, das frühere Theorien nicht erklären konnten. Die Ergebnisse dienen als nützliche Prädiktoren für Experimente, die die Divergenz von Dirac-Elektronen beim Übergang zwischen leitenden zu isolierenden Phasen untersuchen.

Dieses verbesserte Verständnis der Entwicklung der Elektronengeschwindigkeit während des Phasenübergangs ebnet den Weg für Wissenschaftler, die Geräte mit niedriger Wärmeabfuhr für die Elektronik entwickeln. Associate Professor Adam erklärt: "Je höher die Elektronengeschwindigkeit ist, desto schneller können die Transistoren ein- und ausgeschaltet werden. Diese schnellere Prozessorleistung hat jedoch den Preis einer erhöhten Leistungsleckage zur Folge, die zusätzliche Wärme erzeugt, die der Leistungssteigerung entgegenwirkt Durch unsere Erkenntnisse über das Verhalten der Elektronengeschwindigkeit werden Wissenschaftler in die Lage versetzt, Geräte zu entwickeln, die in der Lage sind, schneller zu schalten, aber weniger Energie zu verlieren, da der Mechanismus in unserem neuen Modell die Coulomb-Kraft nutzt derzeit verfügbar. Das Verständnis und die Anwendung unseres neuen Modells könnte möglicherweise eine neue Generation von Technologie einleiten. "

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