Evolución esquemática de la polarización de espín de fermiones compuestos en función de la densidad. En grandes densidades, los fermiones compuestos están completamente polarizados (todos girando en una dirección). A medida que la densidad se reduce por debajo de n =4,2 × 10 ^ 10 cm ^ -2, se pierde la polarización de giro completo (es decir, algunos fermiones compuestos giran en el sentido de las agujas del reloj, y el resto gira en sentido antihorario). En densidades aún más bajas n =3.51 × 10 ^ 10 cm ^ -2, sin embargo, los fermiones compuestos repentinamente se polarizan por completo (todos giran en una dirección), señalando una transición similar a Bloch. Crédito:Md Shafayat Hossain et al.
Los fermiones compuestos son cuasi-partículas exóticas que se encuentran en sistemas de fermiones bidimensionales que interactúan en campos magnéticos perpendiculares relativamente grandes. Estas cuasi-partículas, que se componen de un electrón y dos cuantos de flujo magnético, se han utilizado a menudo para describir un fenómeno físico conocido como efecto Hall cuántico fraccional.
Investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad Estatal de Pensilvania utilizaron recientemente fermiones compuestos para probar una teoría presentada por el físico Felix Bloch hace casi un siglo. sugiriendo que a densidades muy bajas, un "mar" paramagnético de Fermi de electrones debería pasar espontáneamente a un estado completamente magnetizado, que ahora se conoce como ferromagnetismo de Bloch. Su papel publicado en Física de la naturaleza , proporciona evidencia de una transición abrupta a la magnetización completa que está estrechamente alineada con el estado teorizado por Bloch.
"Los fermiones compuestos son realmente notables, "Mansour Shayegan, profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Princeton y uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, dijo Phys.org. "Nacen de la interacción y el flujo magnético, y, sin embargo, asignan un sistema tan complejo a una simple colección de cuasi-partículas que en gran medida se comportan como no interactuantes y también se comportan como si no sintieran el gran campo magnético. Una de sus propiedades más interesantes es su polarización de espín ".
Cuando se les aplican fuertes campos magnéticos y la energía Zeeman es predominante, Se sabe que los fermiones compuestos se polarizan completamente en el espín (es decir, totalmente magnetizado). En campos magnéticos más bajos, por otra parte, por lo general están magnetizados solo en parte, ya que la energía de Coulomb juega un papel considerablemente más importante.
Fascinado por esta característica única de los fermiones compuestos, Shayegan y sus colegas se propusieron sondearlo e investigarlo más a fondo. Para hacer esto, utilizaron una técnica para medir directamente la polarización de espín que se basa en el transporte balístico (libre de colisiones) de fermiones compuestos a distancias relativamente largas, del orden de 0,2 micrones.
"Vimos que a medida que redujimos la densidad de los fermiones compuestos (y, por lo tanto, el campo magnético en el que se forman), de hecho, perdieron su polarización de giro completo, como se esperaba, "Dijo Shayegan." Pero luego vino una sorpresa completamente inesperada:a medida que bajamos la densidad aún más, de repente, los fermiones compuestos volvieron a polarizarse completamente de nuevo. Teníamos el presentimiento de que esto puede ser el resultado de la interacción débil 'residual' entre los fermiones compuestos, pero no pudimos probarlo ".
Si el fenómeno observado por Shayegan y su equipo lo hace, De hecho, resultan de las interacciones residuales débiles entre diferentes fermiones compuestos, este fenómeno recordaría mucho al ferromagnetismo de Bloch, el estado predicho por Bloch en 1929. Sorprendentemente, este efecto ha resultado hasta ahora muy difícil de demostrar experimentalmente.
"Una clave del éxito de nuestros experimentos fue la disponibilidad de Estructuras semiconductoras de arseniuro de galio / arseniuro de aluminio-galio de muy alta calidad, ", Dijo Shayegan." Estos fueron cultivados, utilizando epitaxia de haz molecular por nuestro colega de Princeton Loren Pfeiffer y su grupo ".
Para conocer mejor si el fenómeno que observaron era realmente comparable al ferromagnetismo de Bloch, Shayegan y su equipo se acercaron a Jainendra Jain, físico teórico de la Universidad Estatal de Pensilvania. Jain y sus alumnos, Tongzhou Zhao y Songyang Pu, llevó a cabo una serie de cálculos destinados a comprobar la validez de la hipótesis de los investigadores.
Magnetización de fermiones compuestos completamente polarizados en espín a bajas densidades. Crédito:Md Shafayat Hossain et al.
"Cuando mis colegas de Princeton me contaron por primera vez sobre su resultado experimental, fue una sorpresa total, "Dijo Jain." El modelo de fermiones compuestos libres funciona tan bien para su mar Fermi en el nivel de Landau medio lleno, que no esperaba aquí la física tipo Bloch; Ciertamente, tal comportamiento no fue predicho por ninguna teoría existente. Este es un problema muy complejo de abordar teóricamente, porque se relaciona con cambios muy pequeños de energía en función de la densidad ".
Para obtener una comprensión teórica del fenómeno observado por Shayegan y su equipo, Jain y sus estudiantes utilizaron una herramienta conocida como "método de Monte Carlo de difusión en fase fija". Cuando aplicaron esta construcción teórica al problema en cuestión, encontraron que el estado ferromagnético predominaba por debajo de una densidad crítica.
Es más, Jain y sus estudiantes encontraron que el valor de densidad crítica derivado de sus cálculos estaba cerca del valor observado por sus colegas en Princeton. Por tanto, sus resultados apoyan la hipótesis de que el estado observado se asemeja al ferromagnetismo de Bloch.
"Se reveló que la física subyacente es similar a la de los electrones en el campo magnético cero, "Jain explicó." La energía de interacción de los fermiones compuestos prefiere el estado ferromagnético mientras que su energía cinética el estado paramagnético. A medida que se reduce la densidad, en algún momento gana la energía de interacción, provocando una transición a una fase completamente ferromagnética ".
Los sistemas simples con electrones que interactúan son muy comunes y los fermiones que interactúan se encuentran en todos los metales. por lo que estos sistemas han sido a menudo el foco de estudios de física. Aunque han sido ampliamente investigados, El ferromagnetismo de Bloch en estos sistemas aún no se ha observado claramente.
Este equipo de investigadores fue uno de los primeros en observar un efecto que se asemeja al ferromagnetismo de Bloch. Es más, observaron este efecto en un conjunto inusual de cuasi-partículas (es decir, un mar de Fermi de fermiones compuestos), lo cual fue sorprendente e inesperado.
"La teoría de los fermiones compuestos está bien establecida, "Md Shafayat Hossain, el autor principal del estudio, dijo Phys.org. "La mayor parte de la fenomenología en teoría y los experimentos que involucran a los fermiones compuestos pueden entenderse sin ninguna interacción entre los fermiones compuestos. Por lo tanto, esta es quizás la última plataforma en la que se espera encontrar firmas de interacciones sólidas. Asombrosamente, sin embargo, Nuestros experimentos revelan que los fermiones compuestos se someten al ferromagnetismo de Bloch, que es una manifestación prototípica de una fuerte interacción entre fermiones ".
El trabajo reciente de Shayegan, Jain Hossain y sus colegas obtuvieron una serie de resultados interesantes, que tienen importantes implicaciones tanto para el estudio del ferromagnetismo de Bloch como para los fermiones compuestos. Por un lado, demuestra la existencia de una transición inducida por la interacción al ferromagnetismo que está alineada con el fenómeno predicho por Bloch en 1929.
Por otra parte, el artículo reciente mejora la comprensión actual de los fermiones compuestos, ya que muestra que a densidades muy bajas estas cuasi-partículas pueden tener interacciones fuertes entre sí. En sus próximos estudios, los investigadores planean continuar buscando el ferromagnetismo de Bloch en fermiones, específicamente en condiciones caracterizadas por un campo magnético nulo.
"Cuando un sistema de electrones se diluye lo suficiente como para que la energía de Coulomb domine sobre la energía cinética (Fermi), los electrones deben alinear sus espines y volverse completamente magnetizados, ", Dijo Shayegan." Este es el problema original que Bloch, y más tarde Edmund Stoner (en 1947), y otros discutidos; un clásico, problema de libro de texto que ha eludido los experimentos. El desafío experimental es diluir el sistema de electrones, y, sin embargo, mantener el potencial de desorden (que compite con la interacción de Coulomb y quiere cubrir electrones en sitios aleatorios) a un nivel mínimo. Pensamos con nuevos sistemas de electrones dopados con modulación, existe la posibilidad de concretar finalmente la transición de Bloch para los electrones de campo cero ".
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