科學家解決了電子相互作用的理論問題

這一開放性問題就是控制電子液體的速度。研究結果表明，蜂窩狀晶格上的凍結反鐵磁性，通過在兩者相互作用時減緩其速度來設置這種速度。圖片來源：耶魯大學。

耶魯大學科學與物理學副教授Shaffique Adam最近發表論文描述了一個狄拉克材料的電子相互作用模型，這一類材料，包括石墨烯和拓撲絕緣體，求解一個65年來一直存在的一個開放的理論問題。這一發現將幫助科學家更好地理解在新材料開發的電子相互作用，將為開發更快的處理器、先進的電子技術等鋪平道路。這項研究發表在同行評議的學術期刊《科學Science》雜誌上。

電子行為受兩個主要理論：庫侖定律和費米液體理論的支配。根據費米液體理論，導電材料中的電子錶現為液體，它們通過材料的「流動」引起電傳導。對於狄拉克費米子，費米液體理論破裂，如果電子之間的庫侖力越過一定的閾值，電子「凍結」成更剛性的模式，抑制電子的「流動」，導致材料變得不導電。

65年來，這個問題一直是吸引著數學領域的好奇心，因為狄拉克材料，其中達到庫侖閾值還沒有存在。然而今天，我們經常應用於技術的量子材料的使用，如晶體管的處理器，其中電子工程所要求的性能，包括那些把庫侖力過去這個門檻。但強烈的電子相互作用的影響，只能在非常乾淨的樣品中才能觀察到。

在他博士課題的研究中，副教授Adam提出了一個模型來描述實驗可用的不是純凈的狄拉克材料，意思是它們含有很多雜質。然而，在隨後的幾年中，研究人員製作了新的、更清潔的材料了，舊的理論不再適用。

在這個最新的研究中，題為「在二維狄拉克費米子的電子-電子相互作用現象」的論文中，Adam副教授和他的研究小組已經開發了一個模型，結合使用的數值分析技術，解釋了在過去所有狄拉克材料中的電子相互作用的庫侖閾值。

在這項研究中，團隊設計了一種方法，以可控的方式研究物理觀測值的演化，並用它來解決庫侖相互作用模型中短程和長程部分的競爭效應。研究人員發現，如果有利於絕緣的「凍結」狀態佔主導地位的短距離相互作用，材料中的電子速度（「流動」速度）可能會降低。然而，電子的速度可以通過有利於傳導「液體」狀態的長程分量來增強。通過這一發現，科學家可以更好地理解電子的非相互作用的長程相互作用，這是以前理論無法解釋的。這一發現為探索狄拉克電子在傳導到絕緣相之間的長程相互作用發散的實驗提供了有用的預測因子。

這種改進的電子速度進化的理解過程中的相變來幫助科學家開發出電子低散熱設備鋪平了道路。Adam副教授解釋說，「更高的電子速度，更快的晶體管可以接通和斷開。然而，這種速度更快的處理器的性能是在增加功率泄漏的成本，從而產生額外的熱量，這熱量會抵消提高開關速度更快獲得的性能。我們對電子速度的行為結果將有助於科學家工程師設備能夠更快的開關，並降低漏電。因為在我們的新的機理模型，利用庫侖力，這將花費更少的能源相比，目前每切換機制。理解和運用新的模式可能會迎來新一代的技術。」

來源：https://phys.org/news/2018-08-scientists-theoretical-problem-electron-interactions.html

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！