Studie observeert vloeistofgedrag van Luttinger in een quasi-2D-systeem

Luttinger-vloeistoffen zijn meestal paramagnetische materialen die niet-Fermi-vloeistofgedrag vertonen, zoals molybdeenoxiden. Deze “vloeistoffen” en hun fascinerende eigenschappen waren tot nu toe alleen waargenomen in 1D- en quasi-1D-verbindingen, zoals blauw brons EEN_0.3Loeien₃ (EEN= K, Rb, Tl) en paars-brons Li_0.9Mo₆O₁₇.

Onderzoekers van Tsinghua University, ShanghaiTech University en andere instituten in China hebben onlangs prototypisch Luttinger-vloeistofgedrag waargenomen in η-Mo₄O₁₁,een golfmateriaal met ladingsdichtheid met een quasi-2D kristalstructuur. Hun bevindingen, gepubliceerd in natuur fysicazou de weg kunnen effenen voor de verkenning van niet-Fermi-vloeistofgedrag in andere 2D- en 3D-kwantummaterialen.

“In ons vorige werkidentificeerden we de vloeibare fase van Luttinger in de normale staat van blauwe bronzen, wat niet verwonderlijk is vanwege zijn quasi-1D-karakter, “vertelden Lexian Yang en Yulin Chen, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, aan Phys.org.

“Toen merkten we dat een grote familie van molybdeenoxiden een gemeenschappelijke constructie-eenheid deelt: Mo-O-octaëderketens. Maar in sommige daarvan, zoals η-Mo₄O₁₁kruisen quasi-1D-ketens elkaar en verweven zich tot een quasi-2D-structuur.”

Materialen met quasi-2D-structuren, zoals het materiaal dat is onderzocht door Yang, Chen en hun collega’s, hebben veel onderzoeksaandacht getrokken, waarbij natuurkundigen debatteerden over de vraag of ze sommige eigenschappen van 1D-materialen, waaronder het vloeistofgedrag van Luttinger, zouden kunnen behouden. Aanvankelijk hadden de onderzoekers niet verwacht dit gedrag waar te nemen, dus waren ze erg verrast toen ze dat wel deden.

In hun experimenten gebruikten ze quasi-2D η-Mo₄O₁₁ monsters met een gelaagde structuur. Het voordeel van het gebruik van deze monsters is dat ze gemakkelijk kunnen worden gekliefd om grote en vlakke oppervlakken bloot te leggen, wat hun onderzoek vergemakkelijkt.

“Om onze monsters tegen verontreiniging te beschermen, bestudeerden we het monster in een ultrahoogvacuümomgeving door elektronen in de kristallen op te wekken met behulp van monochromatisch licht”, legden Yang en Chen uit. “Vervolgens hebben we deze geëxciteerde elektronen of foto-elektronen verzameld en hun energie en momentum geanalyseerd om hun oorspronkelijke status terug in het monster af te leiden.”

Om hun monsters te onderzoeken, gebruikten Yang en zijn collega’s een spectroscopische techniek die bekend staat als hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), waarmee onderzoekers de elektronische structuur van materialen direct kunnen visualiseren. Deze techniek kan op talloze verschillende soorten materialen worden toegepast en werd eerder ook gebruikt om hogetemperatuursupergeleiders, topologische kwantummaterialen en overgangsmetaaldichalcogeniden te onderzoeken.

“We hebben aangetoond dat de vloeibare fysica van Luttinger, die eerder werd beschouwd als prototype 1D-gedrag, kan worden uitgebreid naar quasi-2D-systemen, ” zeiden Yang en Chen. “Deze uitbreiding kan ons helpen ander raadselachtig niet-Fermi-vloeibaar gedrag in 2D- of zelfs 3D-systemen te begrijpen. Het vloeistofgedrag van Luttinger is een zeldzaam voorbeeld van een exact oplosbaar model voor op elkaar inwerkende systemen. Hoewel het al lang wordt beschouwd als het ‘standaardmodel’ voor 1D-metalen hebben theoretici voorgesteld dat het verband houdt met het niet-Fermi-vloeistofgedrag in verschillende systemen, zoals de normale toestand van cuprate-supergeleiders op hoge temperatuur.

De recente bevindingen die door dit team van onderzoekers zijn verzameld, vormen een belangrijke stap in de richting van een uniform begrip van niet-Fermi-vloeistofgedrag in 2D- en 3D-systemen. Hun werk zou dus binnenkort nieuwe studies kunnen inspireren die het vloeistofgedrag van Luttinger en andere niet-Fermi-vloeibare toestanden in andere materialen onderzoeken.

“Ons toekomstig onderzoek is al aan de gang,” voegden Yang en Chen eraan toe. “Onze eerste stap zal zijn om meer materiaalsystemen te verkennen en te vinden (laag-dimensionale molybdeenoxiden en daarbuiten) met vermoedelijke Luttinger-vloeistof. Ten tweede, het kennen van het gemeenschappelijke Luttinger-vloeistofgedrag in verschillende materialen, hun overeenkomsten en verschillen zullen helpen de onderliggende fysische wetten te onthullen Ten derde, en interessanter, verdienen de interacties tussen andere vrijheidsgraden en de Luttinger-vloeistof die zouden kunnen leiden tot geordende toestanden op lange afstand een grondig onderzoek.”