Yale-NUS Profesor Asociado de Ciencia Física Shaffique Adam es el autor principal de un trabajo reciente que describe un modelo para la interacción electrónica en los materiales de Dirac, una clase de materiales que incluye grafeno y aislantes topológicos, resolviendo un problema de 65 añosantiguo problema teórico abierto en el proceso. El descubrimiento ayudará a los científicos a comprender mejor la interacción electrónica en nuevos materiales, allanando el camino para el desarrollo de electrónica avanzada como procesadores más rápidos. El trabajo fue publicado en la revista académica revisada por pares ciencia el 10 de agosto de 2018.
El comportamiento de los electrones se rige por dos teorías principales: la ley de Coulomb y la teoría del líquido de Fermi. Según la teoría del líquido de Fermi, los electrones en un material conductor se comportan como un líquido: su "flujo" a través de un material es lo que causa electricidad.Para los fermiones de Dirac, la teoría del líquido de Fermi se rompe si la fuerza de Coulomb entre los electrones cruza cierto umbral: los electrones se "congelan" en un patrón más rígido que inhibe el "flujo" de electrones, haciendo que el material se vuelva no conductor.
Durante más de 65 años, este problema se relegó a una curiosidad matemática, porque los materiales de Dirac donde se alcanzó el umbral de Coulomb nunca se habían hecho. Hoy, sin embargo, habitualmente utilizamos materiales cuánticos para aplicaciones en tecnología, como los transistoresen procesadores, donde los electrones están diseñados para tener las propiedades deseadas, incluidas las que empujan la fuerza de Coulomb más allá de este umbral. Pero los efectos de la fuerte interacción electrón-electrón solo se pueden ver en muestras muy limpias.
En el trabajo inmediatamente posterior a su doctorado, el profesor asociado Adam propuso un modelo para describir los materiales de Dirac disponibles experimentalmente que estaban "muy sucios" contiene muchas impurezas. Sin embargo, en los años siguientes, se han utilizado materiales más nuevos y más limpioshecho, y esta teoría anterior ya no funcionó.
En este último trabajo titulado, "El papel de las interacciones electrón-electrón en fermiones de Dirac bidimensionales", el profesor Assoc Adam y su equipo de investigación han desarrollado un modelo que explica las interacciones de electrones más allá del umbral de Coulomb en todos los materiales de Dirac mediante el uso de uncombinación de técnicas numéricas y analíticas.
En esta investigación, el equipo diseñó un método para estudiar la evolución de los observables físicos de manera controlable y lo usó para abordar los efectos competitivos de las partes de corto y largo alcance en modelos de la interacción de Coulomb. Los investigadores descubrieron quela velocidad de los electrones la velocidad de "flujo" en un material podría disminuir si la interacción de corto alcance que favoreciera el estado aislante y "congelado" dominara. Sin embargo, la velocidad de los electrones podría ser mejorada por el componente de largo alcance que favorecióel estado "líquido" de conducción. Con este descubrimiento, los científicos pueden comprender mejor las interacciones de electrones a largo alcance sin perturbaciones, algo que las teorías anteriores no podían explicar, y sirve como predictores útiles para experimentos que exploran el largo alcance-la divergencia de interacción en los electrones de Dirac cuando hacen la transición entre las fases conductoras y aislantes.
Esta mejor comprensión de la evolución de la velocidad de los electrones durante la transición de fase allana el camino para ayudar a los científicos a desarrollar dispositivos de baja disipación de calor para la electrónica. El profesor asociado Adam explica: "Cuanto mayor sea la velocidad de los electrones, los transistores más rápidos se pueden encender ySin embargo, este rendimiento más rápido del procesador tiene el precio de una mayor fuga de energía, que produce calor adicional, y este calor contrarrestará el aumento de rendimiento otorgado por la conmutación más rápida. Nuestros hallazgos sobre el comportamiento de la velocidad de los electrones ayudarán a los científicos a diseñar dispositivos que sean capacesde conmutación más rápida pero baja fuga de energía "
El profesor asociado Adam agrega: "Debido a que el mecanismo en nuestro nuevo modelo aprovecha la fuerza de Coulomb, costaría menos energía por interruptor en comparación con los mecanismos disponibles actualmente. Comprender y aplicar nuestro nuevo modelo podría potencialmente introducir una nueva generación de tecnología".
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Materiales proporcionados por Universidad de Yale-NUS . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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