Wissenschaftler untersuchen Floquet-Fermi-Flüssigkeiten

Deutsche und singapurische Forscher untersuchten einen Nichtgleichgewichtszustand von Fermi-Flüssigkeiten namens Fermi Floquet Liquid (FFL), der entsteht, wenn Fermi-Flüssigkeiten einer periodischen Antriebskraft ausgesetzt und in Kontakt mit einem Fermionbad gehalten werden.

Fermi-Flüssigkeiten sind quantenmechanische Systeme, in denen sich Fermionen (wie Elektronen in einem Metall) bei der absoluten Nulltemperatur, die 0 Kelvin oder -273,15 °C entspricht, kollektiv auf vorhersehbare Weise verhalten.

Fermionen sind eine der beiden grundlegenden Teilchenklassen im Universum und gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik (FD). Dies beschreibt ihre Verteilung, wenn sich das System im thermischen Gleichgewicht befindet.

Hier stoßen wir auf ein interessantes Quantensystem namens Fermi-Flüssigkeit. Der Begriff „Fermi-Flüssigkeit“ geht auf die Idee zurück, dass sich die Fermionen in einer Fermi-Flüssigkeit aufgrund ihres kollektiven Verhaltens relativ frei im Material bewegen, genauso wie eine Flüssigkeit frei fließt und ihre Form ändern kann.

Bei Fermi-Flüssigkeiten ist das Verhalten von Fermionen durch eine Fermi-Oberfläche gekennzeichnet. Die Fermi-Oberfläche markiert eine Trennung in den Energiezuständen der Fermi-Flüssigkeit und zeigt die von den Fermionen besetzten gefüllten und leeren Energiezustände an.

Die Forscher wollten verstehen, was mit Elektronen passiert, wenn auf sie eine periodische Antriebskraft ausgeübt wird, während sie an ein fermionisches Thermalbad gekoppelt sind.

Die Studie, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungwurde von Dr. Li-kun Shi und Dr. Inti Sodemann Villadiego von der Universität Leipzig in Deutschland sowie Dr. Oles Matsyshyn und Dr. Justin CW Song von der Nanyang Technological University in Singapur durchgeführt.

Phys.org sprach mit den Forschern, die eine größere Frage stellten, die sie beantworten wollten: Existieren Photoströme (Ströme, die durch die Beleuchtung eines Materials entstehen) in reinen Kristallen (wie Metallen und Halbleitern), selbst wenn das Material kein Licht absorbiert?

Diese Frage führte sie zur Floquet Fermi-Flüssigkeit.

Floquet Fermi-Flüssigkeit

In einer Fermi-Flüssigkeit sind die Energiezustände kontinuierlich, mit gefüllten Energiezuständen unterhalb der Fermi-Energie und leeren Zuständen darüber. Das Fermi-Energieniveau markiert das Energieniveau, bei dem sich die Wahrscheinlichkeit, einen Fermionzustand zu finden, von nahezu 100 % besetzt auf nahezu 0 % besetzt ändert.

Beim absoluten Nullpunkt sind alle Zustände bis zur Fermi-Energie gefüllt und alle darüber liegenden Zustände leer. Dieses Energieniveau definiert effektiv die Fermi-Oberfläche im Impulsraum: ein theoretisches Konzept, das es uns ermöglicht, zu visualisieren, was im Inneren der Materie geschieht.

Wenn wir eine periodische Kraft auf eine Fermi-Flüssigkeit ausüben, ändern sich ihre normalen Energieniveaus in Floquet-Bänder, das sind die veränderten Energieniveaus der Fermi-Flüssigkeit aufgrund der treibenden Kraft. Stellen Sie sich das wie Wellen vor, die sich auf der Wasseroberfläche bilden.

Die Forscher wollten nun verstehen, was passiert, wenn dieses System aus dem Gleichgewicht gerät. Zu diesem Zweck führten die Forscher ein Fermionenbad ein, bei dem es sich um ein Reservoir oder eine Umgebung aus Fermionen handelt.

Die Forscher entdeckten, dass sich die resultierende Fermi-Flüssigkeit in einem trivialen instationären Zustand befindet, der als Floquet-Fermi-Flüssigkeit bezeichnet wird. Sie fanden heraus, dass die resultierende Flüssigkeit nicht den typischen FD-Statistiken entsprach.

FD-Treppe und ineinandergreifende Oberflächen

In diesem Fall gilt der FFL-Zustand als nicht trivial, da er aus der Wechselwirkung zwischen periodischen Antriebskräften, fermionischen Wechselwirkungen und der Umgebung resultiert.

Anstelle eines sanften Übergangs zwischen Energiezuständen, der einem einzelnen Sprung ähnelt, der typischerweise bei Gleichgewichts-FD-Verteilungen beobachtet wird, zeigte die Belegung der Energiezustände ein treppenartiges Muster mit mehreren Sprüngen.

„Jeder dieser Sprünge führt zum Erscheinen einer neuen Fermi-Oberfläche (der Floquet-Fermi-Oberfläche)“, erklärte Dr. Shi.

„Floquet-Fermi-Oberflächen, die im FFL-Zustand erscheinen, sind ineinander eingeschlossen“, fügte Dr. Matsyshyn hinzu.

Stellen Sie sich das als geschichtete Fermi-Oberflächen vor, ähnlich wie bei einer russischen Nistpuppe. Diese Fermi-Flock-Oberflächen beeinflussen das Gesamtverhalten des Systems und führen zu spezifischen Phänomenen.

Schwebungsmodelle in Quantenoszillationen und Kontrolle des elektronischen Verhaltens

Quantenschwingungen sind periodische Änderungen der Eigenschaften eines Materials, beispielsweise des Widerstands, basierend auf externen Parametern wie Magnetfeld oder Druck.

Bei FFLs beobachteten die Forscher Schwebungen in Quantenoszillationen unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds.

Diese Muster resultieren aus der Interferenz zwischen ineinander verschachtelten Floquet-Fermi-Oberflächen unterschiedlicher Größe. Das Vorhandensein mehrerer Floquet-Fermi-Oberflächen führt zu konstruktiven und destruktiven Interferenzeffekten, die zu Widerstandsschwingungen führen.

„Die Schwebungsmuster in Quantenoszillationen stimmen mit Experimenten zur mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillation (MIRO) überein, die in zweidimensionalen elektronischen Systemen beobachtet wurden“, erklärte Dr. Song.

Sie bieten auch die Möglichkeit, das elektronische Verhalten des Systems zu entwerfen und anzupassen.

Dr. Villadiego sagte: „Das Vorhandensein mehrerer Fermi-Oberflächen ermöglicht eine bessere Kontrolle über die elektronischen Eigenschaften des Systems. Durch Anpassen der Frequenz oder Intensität des Lichts können wir die Form und den Abstand der Floquet-Fermi-Oberflächen manipulieren. »

Dies bietet neue Möglichkeiten zur Steuerung des elektronischen Verhaltens.

Mögliche Anwendungen und Perspektiven

Eine der interessantesten Lektionen, die die Forscher hervorgehoben haben, ist, dass der stationäre Zustand nicht, wie Dr. Shi sagt, als „eine Art langweilige, etwas heißere Version der Gleichgewichts-FD-Verteilung“ angesehen werden sollte.

„Stattdessen nähert sich das System einem stationären Zustand, der eine höhere Energiedichte als der Gleichgewichtszustand aufweist, aber diese überschüssige Energie wird nicht als eine Art merkwürdige Wärme gespeichert, sondern führt vielmehr zu einer sehr präzisen Neuordnung der Zustandsbesetzung, die eine präzise behält.“ Quantennatur“, sagte Dr. Matsyshyn.

Die Forscher stellten auch Bedingungen oder Kriterien bereit, die bei der experimentellen Durchführung der FFL einzuhalten sind. Sie listeten auch mehrere mögliche Wege für zukünftige Arbeiten auf, einschließlich der anfänglichen Frage des Photostroms in Massenmaterialien.

„Mithilfe unseres Floquet-Fermi-Flüssigkeitszustands können wir schlüssig zeigen, dass es sogar für rein monochromatisches Licht tatsächlich möglich ist, einen gleichgerichteten Nettostrom zu erzeugen, selbst wenn seine Frequenz innerhalb des Intervalls liegt“, sagte Dr. Villadiego.

„Diese Ideen könnten für die Entwicklung neuer optoelektronischer Technologien wie Lichtverstärker, Sensoren, Solarzellen und Energiegewinnungsgeräte relevant sein“, schloss Dr. Song.

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