Решена теоретическая задача о взаимодействии электронов

Новое открытие объясняет, что происходит во время фазового перехода в материалах Дирака, прокладывая путь для разработки усовершенствованной электроники, которая работает значительно быстрее.

Проф. Шаффик Адам (Shaffique Adam) из Yale-NUS College является ведущим автором недавней работы, которая описывает модель взаимодействия электронов в материалах Дирака, классе материалов, который включает графен и топологические изоляторы, решая 65-летнюю открытую теоретическую проблему. Это открытие поможет ученым лучше понять взаимодействие электронов в новых материалах, проложив путь к разработке современной электроники, такой как более быстрые процессоры. Работа была опубликована в рецензируемом академическом журнале Science.

Поведение электрона определяется двумя основными теориями - законом Кулона и теорией жидкости Ферми. Согласно теории ферми-жидкости, электроны в проводящем материале ведут себя как жидкость - их «поток» через материал проявляется как электричество. Для дираковских фермионов теория ферми-жидкости разрушается, если кулоновская сила между электронами пересекает определенный порог: электроны «замерзают» в более жесткую схему, которая препятствует «потоку» электронов, в результате чего материал становится непроводящим.

На протяжении более 65 лет эта проблема была отнесена к математической, потому что материалы Дирака, где был бы достигнут кулоновский порог, никогда не создавались. Однако сегодня уже обычно используются квантовые материалы для технологических применений, таких как транзисторы в процессорах, где электроны управляются так, чтобы иметь желаемые свойства, в том числе те, которые выталкивают кулоновскую силу за этот порог. Но эффекты сильного электрон-электронного взаимодействия можно увидеть только в очень чистых образцах.

В своей работе доцент Адам предложил модель для описания экспериментально доступных материалов Дирака, которые были «очень грязными» (содержали много примесей). Однако в последующие годы были созданы новые и более чистые материалы, и эта предыдущая теория больше не работала.

В этой последней работе под названием «Роль электрон-электронных взаимодействий в двумерных дираковских фермионах» проф. Адам и его исследовательская группа разработали модель, которая объясняет взаимодействия электронов за порогом Кулона во всех материалах Дирака с использованием комбинации численные и аналитические методы.

В этом исследовании команда разработала метод для изучения эволюции физических наблюдаемых в управляемой манере и использовала его, чтобы рассмотреть конкурирующие эффекты ближних и дальних частей в моделях кулоновского взаимодействия. Исследователи обнаружили, что скорость электронов (скорость «потока») в материале может уменьшиться, если доминирует ближнее взаимодействие, благоприятствующее изолирующему «замороженному» состоянию. Однако скорость электронов могла бы быть увеличена за счет дальнодействующего компонента, который благоприятствовал проводящему, «жидкому» состоянию. С этим открытием ученые могут лучше понять дальнодействующие взаимодействия электронов без возмущений - то, что предыдущие теории не смогли объяснить - и получить полезные прогнозы для экспериментов, исследующих расхождение дальнего взаимодействия электронов, когда они переходят от проводящей к изолирующей фазе.

Это улучшенное понимание эволюции скорости электронов во время фазового перехода открывает путь к тому, чтобы помочь ученым разработать устройства для электроники с низким тепловыделением. Проф. Адам объясняет: «Чем выше скорость электронов, тем быстрее транзисторы можно включать и выключать. Однако эта более быстрая производительность процессора достигается ценой повышенной утечки энергии, которая производит дополнительное тепло, и это тепло будет противодействовать увеличению производительности благодаря быстрому переключению. Наши выводы о поведении скорости электронов помогут ученым сконструировать устройства, способные к более быстрому переключению, но с малой утечкой энергии».

Проф. Адам добавляет: «Поскольку механизм в нашей новой модели использует силу Кулона, он будет тратить меньше энергии на переключатель по сравнению с механизмами, доступными в настоящее время. Понимание и применение нашей новой модели может потенциально привести к появлению технологий нового поколения».

Открытой проблемой было управление скоростью электронной жидкости (показанной в виде волнистой береговой линии). Полученные данные показывают, что именно замороженный антиферромагнетизм на сотовой решетке задает эту скорость, замедляя ее при взаимодействии электронов

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365