科学家研究Floquet费米液体

来源:
导读 德国和新加坡的研究人员研究了费米液体的非平衡态,称为Floquet费米液体(FFL),当费米液体受到周期性驱动力并与费米子浴保持接触时形成。费...

德国和新加坡的研究人员研究了费米液体的非平衡态,称为Floquet费米液体(FFL),当费米液体受到周期性驱动力并与费米子浴保持接触时形成。

费米液体是量子力学系统,其中费米子(如金属中的电子)在绝对零温度(相当于0开尔文或-273.15°C)下集体表现可预测。

费米子是宇宙中两类基本粒子之一,它们服从费米-狄拉克(FD)统计。这描述了系统处于热平衡时它们的分布。

这就是我们遇到一个有趣的量子系统,称为费米液体的地方。“费米液体”一词源于这样的想法:与液体如何自由流动并改变形状类似,费米液体中的费米子由于其集体行为而在材料内相对自由地移动。

对于费米液体,费米子的行为由费米面来表征。费米面标志着费米液体能态的分离,指示费米子占据的满能态和空能态。

研究人员有动力了解当周期性驱动力与费米子热浴相结合时,电子会发生什么。

这项研究发表在《物理评论快报》上,由德国莱比锡大学的Li-kunShi博士和IntiSodemannVilladiego博士以及新加坡南洋理工大学的OlesMatsyshyn博士和JustinCWSong博士进行。

Phys.org采访了研究人员,他们提出了一个他们希望回答的更大问题:即使材料不吸收光,光电流(照亮材料产生的电流)是否也存在于纯块状晶体(如金属和半导体)中?

这个问题引导他们找到了弗洛奎特费米液体。

Floquet费米液体

在费米液体中,能态是连续的,填充能态低于费米能级,空态高于费米能级。费米能级标志着发现费米子态的概率从接近100%占据跃迁到接近0%占据的能级。

在绝对零时,费米能量以下的所有状态都被填满,而高于费米能量的所有状态都是空的。这个能级有效地定义了动量空间中的费米表面:一个有助于可视化物质内部发生的事情的理论概念。

当我们对费米液体施加周期性力时,其正常能级会被修改为Floquet带,这是费米液体由于驱动力而修改的能级。将其视为水面上形成的涟漪。

研究人员现在想了解如果这个系统远离平衡会发生什么。为此,研究人员引入了费米子浴,它是由费米子组成的储库或环境。

研究人员发现,所得的费米液体处于非稳定的平凡状态,称为Floquet费米液体。他们发现所得液体不符合典型的FD统计数据。

FD楼梯和嵌套曲面

在这种情况下,FFL状态被认为是重要的,因为它是周期性驱动力、费米子相互作用和周围环境之间相互作用的结果。

能量状态的占据呈现出具有多次跳跃的阶梯状模式,而不是能量状态的平滑过渡(类似于平衡FD分布中通常观察到的单次跳跃)。

“每一次跳跃都会导致新的费米面(Floquet费米面)的出现,”石博士解释道。

Matsyshyn博士补充道:“处于FFL状态的Floquet费米面相互封闭。”

将其视为分层的费米表面,类似于俄罗斯嵌套娃娃的情况。这些流畅的费米面会影响整个系统的行为,从而产生特定的现象。

量子振荡的跳动模式和控制电子行为

量子振荡是材料特性(例如电阻)的周期性变化,作为磁场或压力等外部参数的函数。

研究人员观察到FFL在外部磁场影响下量子振荡的跳动模式。

这些图案是由于相互嵌套的不同尺寸的Floquet费米表面之间的干涉而产生的。多个Floquet费米面的存在会导致相长和相消干涉效应,从而导致电阻振荡。

“量子振荡的跳动模式与二维电子系统中观察到的微波诱导电阻振荡(MIRO)实验一致,”宋博士解释道。

它们还提供了一种设计和定制系统电子行为的方法。

Villadiego博士说:“多个费米面的存在可以更好地控制系统的电子特性。通过调整光频率或强度,我们可以操纵Floquet费米面的形状和分离。”

这为控制电子行为提供了新的可能性。

潜在的应用和见解

研究人员指出的最有趣的教训之一是,正如史博士所说,稳态不应该被视为“一种无聊的、稍微热一点的平衡FD分布版本”。

“相反,系统接近稳定状态,其能量密度高于平衡状态,但这种多余的能量不会以某种无特征的热量形式存储,而是导致状态占据的非常精确的重新排列,从而保留精确的量子性质,”Matsyshyn博士说。

研究人员还提供了实验性实现FFL所需满足的条件或标准。他们还列出了未来工作的几个潜在途径,其中之一是散装材料中光电流的原始问题。

Villadiego博士说:“利用我们的FloquetFermi液态,人们可以严格证明,即使是纯单色光,也确实有可能驱动净整流电流,即使其频率位于间隙之内。”

“这些想法可能与光放大器、传感器、太阳能电池和能量收集设备等新型光电技术的开发相关,”宋博士总结道。

标签:

免责声明:本文由用户上传,如有侵权请联系删除!