Evolution schématique de la polarisation de spin de fermions composites en fonction de la densité. A de fortes densités, les fermions composites sont entièrement polarisés en spin (tous tournant dans une direction). Lorsque la densité est abaissée en dessous de n =4,2 × 10^10 cm^-2, la polarisation de spin complète est perdue (c'est-à-dire que certains fermions composites tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, et les autres tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). A des densités encore plus faibles n =3,51× 10^10 cm^-2, cependant, les fermions composites deviennent soudainement complètement polarisés en spin (tous en rotation dans une direction), signalant une transition de type Bloch. Crédit :Md Shafayat Hossain et al.
Les fermions composites sont des quasi-particules exotiques trouvées dans des systèmes de fermions 2-D en interaction à des champs magnétiques perpendiculaires relativement importants. Ces quasi-particules, qui sont composés d'un électron et de deux quanta de flux magnétique, ont souvent été utilisés pour décrire un phénomène physique connu sous le nom d'effet Hall quantique fractionnaire.
Des chercheurs de l'Université de Princeton et de l'Université d'État de Pennsylvanie ont récemment utilisé des fermions composites pour tester une théorie introduite par le physicien Felix Bloch il y a près d'un siècle, suggérant qu'à de très faibles densités, une "mer" paramagnétique d'électrons de Fermi devrait passer spontanément à un état complètement magnétisé, qui est maintenant appelé ferromagnétisme de Bloch. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , fournit la preuve d'une transition abrupte vers une magnétisation complète qui est étroitement alignée avec l'état théorisé par Bloch.
"Les fermions composites sont vraiment remarquables, " Mansour Shayegan, professeur de génie électrique à l'Université de Princeton et l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, dit Phys.org. "Ils sont nés de l'interaction et du flux magnétique, et pourtant, ils mappent un système si complexe à une simple collection de quasi-particules qui, dans une large mesure, se comportent comme sans interaction et comme si elles ne ressentaient pas le grand champ magnétique. L'une de leurs propriétés les plus intéressantes est leur polarisation de spin."
Lorsque de forts champs magnétiques leur sont appliqués et que l'énergie Zeeman est prédominante, les fermions composites sont connus pour devenir complètement polarisés en spin (c'est-à-dire, entièrement magnétisé). À des champs magnétiques inférieurs, d'autre part, ils ne sont généralement que partiellement magnétisés, car l'énergie coulombienne joue un rôle considérablement plus important.
Fasciné par cette caractéristique unique des fermions composites, Shayegan et ses collègues ont entrepris de sonder et d'enquêter davantage. Pour faire ça, ils ont utilisé une technique de mesure directe de la polarisation du spin qui repose sur le transport balistique (sans collision) de fermions composites sur des distances relativement longues, de l'ordre de 0,2 micron.
"Nous avons vu que lorsque nous avons abaissé la densité des fermions composites (et donc le champ magnétique auquel ils se forment), ils ont en effet perdu leur pleine polarisation de spin, comme prévu, " a déclaré Shayegan. " Mais ensuite est arrivée une surprise complètement inattendue :alors que nous réduisions encore plus la densité, Tout à coup, les fermions composites sont redevenus complètement polarisés en spin. Nous avions le pressentiment que cela pourrait être le résultat de la faible interaction "résiduelle" entre les fermions composites, mais nous n'avons pas pu le prouver."
Si le phénomène observé par Shayegan et son équipe se produit, En réalité, résultent des faibles interactions résiduelles entre différents fermions composites, ce phénomène rappellerait fortement le ferromagnétisme de Bloch, l'état prédit par Bloch en 1929. Remarquablement, cet effet s'est jusqu'à présent avéré très difficile à démontrer expérimentalement.
"L'une des clés du succès de nos expériences était la disponibilité de modules dopés par modulation, des structures semi-conductrices en arséniure de gallium/aluminium-gallium-arséniure de très haute qualité, " a déclaré Shayegan. "Ceux-ci ont été cultivés, utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire par notre collègue de Princeton Loren Pfeiffer et son groupe."
Pour mieux comprendre si le phénomène observé était réellement comparable au ferromagnétisme de Bloch, Shayegan et son équipe ont contacté Jainendra Jain, un physicien théoricien à l'Université d'État de Pennsylvanie. Jain et ses élèves, Tongzhou Zhao et Songyang Pu, ont effectué une série de calculs visant à vérifier la validité de l'hypothèse des chercheurs.
Magnétisation de fermions composites entièrement polarisés en spin à de faibles densités. Crédit :Md Shafayat Hossain et al.
"Quand mes collègues de Princeton m'ont parlé pour la première fois de leur résultat expérimental, c'est venu comme une surprise totale, " dit Jain. " Le modèle des fermions composites libres fonctionne si bien pour leur mer de Fermi au niveau de Landau à moitié rempli, que je ne m'attendais pas à une physique de type Bloch ici; un tel comportement n'était certainement prédit par aucune théorie existante. C'est un problème très complexe à aborder théoriquement, car il se rapporte à de très petits changements d'énergie en fonction de la densité."
Acquérir une compréhension théorique du phénomène observé par Shayegan et son équipe, Jain et ses étudiants ont utilisé un outil connu sous le nom de "méthode Monte Carlo à diffusion en phase fixe". Lorsqu'ils ont appliqué cette construction théorique au problème en question, ils ont trouvé que l'état ferromagnétique était prédominant en dessous d'une densité critique.
De plus, Jain et ses étudiants ont découvert que la valeur de densité critique dérivée de leurs calculs était proche de la valeur observée par leurs collègues de Princeton. Leurs résultats soutiennent donc l'hypothèse que l'état observé ressemble au ferromagnétisme de Bloch.
"La physique sous-jacente s'est révélée similaire à celle des électrons à champ magnétique nul, " Jain a expliqué. "L'énergie d'interaction des fermions composites préfère l'état ferromagnétique alors que leur énergie cinétique l'état paramagnétique. Au fur et à mesure que la densité diminue, à un moment donné, l'énergie d'interaction gagne, provoquant une transition vers une phase entièrement ferromagnétique."
Les systèmes simples avec des électrons en interaction sont très courants et des fermions en interaction se trouvent dans tous les métaux, ces systèmes ont donc souvent fait l'objet d'études de physique. Bien qu'elles aient été largement étudiées, Le ferromagnétisme de Bloch dans ces systèmes n'a pas encore été clairement observé.
Cette équipe de chercheurs a été parmi les premières à observer un effet qui ressemble au ferromagnétisme de Bloch. De plus, ils ont observé cet effet dans un ensemble inhabituel de quasi-particules (c'est-à-dire, une mer de Fermi de fermions composites), ce qui était surprenant et inattendu.
"La théorie des fermions composites est bien établie, " Md Shafayat Hossain, l'auteur principal de l'étude, dit Phys.org. "La plupart de la phénoménologie en théorie et des expériences impliquant les fermions composites peuvent être comprises sans aucune interaction entre les fermions composites. Par conséquent, c'est peut-être la dernière plateforme où l'on s'attend à trouver des signatures d'interactions fortes. Étonnamment, cependant, nos expériences révèlent que les fermions composites subissent un ferromagnétisme de Bloch, qui est une manifestation prototypique d'une forte interaction inter-fermion."
Les travaux récents de Shayegan, Jaïn, Hossain et leurs collègues ont donné un certain nombre de résultats intéressants, qui ont des implications importantes à la fois pour l'étude du ferromagnétisme de Bloch et des fermions composites. D'une part, il démontre l'existence d'une transition induite par l'interaction vers le ferromagnétisme qui s'aligne avec le phénomène prédit par Bloch en 1929.
D'autre part, l'article récent améliore la compréhension actuelle des fermions composites, car cela montre qu'à de très faibles densités, ces quasi-particules peuvent avoir de fortes interactions les unes avec les autres. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de continuer à rechercher le ferromagnétisme de Bloch dans les fermions, spécifiquement dans des conditions caractérisées par un champ magnétique nul.
"Lorsqu'un système électronique est rendu suffisamment dilué pour que l'énergie de Coulomb domine l'énergie cinétique (Fermi), les électrons doivent aligner leurs spins et devenir complètement magnétisés, " a déclaré Shayegan. "C'est le problème initial que Bloch, et plus tard Edmund Stoner (en 1947), et d'autres discutés; un classique, problème de manuel qui a échappé aux expériences. Le défi expérimental est de rendre le système électronique très dilué, tout en maintenant le potentiel de désordre (qui rivalise avec l'interaction de Coulomb et veut piéger les électrons sur des sites aléatoires) à un niveau minimum. Nous pensons avec du neuf, systèmes électroniques dopés par modulation, il y a une chance de fixer enfin la transition de Bloch pour les électrons à champ zéro."
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