复合费米子中布洛赫铁磁性的复合费米观察

2022-02-02 22:44:00巩克眉导读复合费米子是在相对大的垂直磁场中在相互作用的二维费米子系统中发现的奇异准粒子。这些由电子和两个磁通量量子组成的中布准粒子通常用于描述一

复合费米子是在相对大的垂直磁场中在相互作用的二维费米子系统中发现的奇异准粒子。这些由电子和两个磁通量量子组成的洛赫准粒子通常用于描述一种物理现象，称为分数量子霍尔效应。铁磁

普林斯顿大学和宾夕法尼亚州立大学的观察研究人员最近使用复合费米子来测试物理学家费利克斯·布洛赫(Felix Bloch)在近一个世纪前提出的理论，这表明在非常低的复合费米密度下，顺磁费米电子“海”应该自发转变为完全磁化的中布状态，现在称为布洛赫铁磁性。洛赫他们的铁磁论文发表在《自然物理学》上，提供了突然转变为完全磁化的观察证据，这与布洛赫(Bloch)理论得出的复合费米状态紧密相关。

普林斯顿大学电气工程学教授，中布也是洛赫进行这项研究的研究人员之一的曼苏·沙耶根(Mansour Shayegan)对Phys.org表示：“复合费米子确实很棒。” “它们是铁磁由相互作用和磁通量产生的，但是观察它们将这样一个复杂的系统映射到一个简单的准粒子集合，这些粒子在很大程度上表现为非相互作用，并且表现为好像它们没有感受到大磁场他们最有趣的特性之一就是它们的自旋极化。”

当对它们施加强磁场且塞曼能量占主导时，已知复合费米子会变成完全自旋极化(即完全磁化)。另一方面，在较低的磁场下，它们通常仅被部分磁化，因为库仑能量起着相当大的作用。

沙耶根及其同事着迷于复合费米子的这一独特特性，着手对其进行进一步的调查和研究。为此，他们使用了一种直接测量自旋极化的技术，该技术依赖于复合费米子在相对较长的距离(约0.2微米)上的弹道(无碰撞)传输。

沙耶根说：“我们发现，当降低复合费米子的密度(从而降低它们形成的磁场)时，它们确实失去了完全的自旋极化，”。“但是随后出现了一个完全出乎意料的意外：当我们进一步降低密度时，突然之间，复合费米子又再次完全旋转了极化。我们有预感，这可能是由于两者之间弱的'残留'相互作用造成的。复合费米子，但我们无法证明这一点。”

如果Shayegan和他的团队观察到的现象确实是由于不同复合费米子之间的弱残留相互作用而引起的，那么这种现象将非常让人联想到Bloch铁磁性，这是Bloch在1929年所预测的状态。被证明很难通过实验证明。

Shayegan说：“我们实验成功的关键是获得了调制掺杂的极高质量的砷化镓/铝镓砷化半导体结构。” “这些是由我们的普林斯顿大学的同事洛伦·菲佛和他的团队使用分子束外延生长的。”

为了更深入地了解他们观察到的现象是否实际上可与布洛赫铁磁性相媲美，Shayegan和他的团队与宾夕法尼亚州立大学的理论物理学家 Jainendra Jain进行了接触。Jain和他的学生Zhao Tongzhou和Pu Songyang进行了一系列计算，旨在确定研究人员假说的有效性。

贾恩说：“当普林斯顿大学的同事们第一次告诉我他们的实验结果时，这真是令人惊讶。” “自由复合费米子的模型在半满的朗道水平上对其费米海非常有效，以至于我在这里没有想到Bloch型物理学;这种行为当然没有任何现有理论所预测。这是一个非常复杂的问题从理论上讲，这是因为它与能量随密度的微小变化有关。”

为了对Shayegan及其团队观察到的现象获得理论上的理解，Jain和他的学生使用了一种称为“固定相扩散蒙特卡洛”方法的工具。当他们将这种理论构造应用于眼前的问题时，他们发现铁磁状态主要在临界密度以下。

此外，Jain和他的学生发现，从他们的计算得出的临界密度值接近于普林斯顿大学同事所观察到的值。因此，他们的结果支持以下假设：观测到的状态类似于布洛赫铁磁。

贾恩解释说：“揭示出的基本物理学与零磁场下电子的相似。” “复合费米子的相互作用能偏爱铁磁态，而动能则倾向于顺磁态。随着密度的降低，在某些时候相互作用能获胜，导致转变为完全铁磁相。”

具有相互作用的电子的简单系统非常普遍，并且在所有金属中都存在相互作用的费米子，因此这些系统通常是物理学研究的重点。尽管已对其进行了广泛研究，但尚未清楚地观察到这些系统中的Bloch铁磁性。

该研究小组是最早观察到类似于布洛赫铁磁效应的研究人员之一。此外，他们在一组不寻常的准粒子(即复合费米子的费米海)中观察到了这种效果，这是令人惊讶和出乎意料的。

该研究的主要作者沙法亚特·侯赛因(Md Shafayat Hossain)告诉Phys.org：“复合费米子的理论已经确立。“在涉及复合费米子的理论和实验中，大多数现象学都可以理解，而复合费米子之间没有任何相互作用。因此，这也许是人们期望找到强相互作用特征的最后一个平台。但是，令人惊讶的是，我们的实验表明，复合费米子费米子经历布洛赫铁磁性，这是强费米子间相互作用的典型表现。”

Shayegan，Jain，Hossain及其同事最近的工作产生了许多有趣的结果，这对Bloch铁磁性和复合费米子的研究都具有重要意义。一方面，它证明了相互作用引起的向铁磁性过渡的存在，这与布洛赫(Bloch)在1929年所预测的现象一致。

另一方面，最近的论文增强了目前对复合费米子的理解，因为它表明，在非常低的密度下，这些准粒子之间可以具有很强的相互作用。在接下来的研究中，研究人员计划继续在费米子中寻找布洛赫铁磁性，特别是在磁场为零的条件下。

沙耶根说：“当电子系统被充分稀释，以使库仑能量在动能(费米)上占主导地位时，电子应对准其自旋并完全磁化。” “这是布洛赫(Bloch)以及后来在埃德蒙·斯通纳(Edmund Stoner)(1947年)等人所讨论的最初的问题;一个经典的教科书问题，尚无法进行实验。势(与库仑相互作用竞争，并希望将电子束缚在随机位点上)降至最低水平。我们认为，通过新的调制掺杂电子系统，最终有机会确定零场电子的Bloch跃迁。 ”