I fermioni compositi sono quasi-particelle esotiche che si trovano in sistemi di fermioni 2-D interagenti con campi magnetici perpendicolari relativamente grandi. Queste quasi-particelle, che sono composti da un elettrone e due quanti di flusso magnetico, sono stati spesso usati per descrivere un fenomeno fisico noto come effetto Hall quantistico frazionario.

I ricercatori della Princeton University e della Pennsylvania State University hanno recentemente utilizzato fermioni compositi per testare una teoria introdotta dal fisico Felix Bloch quasi un secolo fa, suggerendo che a densità molto basse, un "mare" di elettroni di Fermi paramagnetico dovrebbe passare spontaneamente a uno stato completamente magnetizzato, che ora è indicato come ferromagnetismo di Bloch. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , fornisce la prova di una brusca transizione alla piena magnetizzazione che è strettamente allineata con lo stato teorizzato da Bloch.

"I fermioni compositi sono davvero notevoli, "Mansour Shayegan, professore di Ingegneria Elettrica alla Princeton University e uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nascono dall'interazione e dal flusso magnetico, eppure mappano un sistema così complesso in una semplice raccolta di quasi-particelle che in larga misura si comportano come non interagenti e si comportano anche come se non sentissero il grande campo magnetico. Una delle loro proprietà più interessanti è la loro polarizzazione di spin".

Quando vengono applicati forti campi magnetici e l'energia Zeeman è predominante, è noto che i fermioni compositi diventano completamente polarizzati in spin (cioè, completamente magnetizzato). A campi magnetici inferiori, d'altra parte, sono tipicamente solo parzialmente magnetizzati, poiché l'energia di Coulomb gioca un ruolo considerevolmente più grande.

Affascinato da questa caratteristica unica dei fermioni compositi, Shayegan e i suoi colleghi hanno deciso di indagare e indagare ulteriormente. Per fare questo, hanno usato una tecnica per misurare direttamente la polarizzazione dello spin che si basa sul trasporto balistico (senza collisioni) di fermioni compositi su distanze relativamente lunghe, dell'ordine di 0,2 micron.

"Abbiamo visto che quando abbiamo abbassato la densità dei fermioni compositi (e quindi il campo magnetico in cui si formano), hanno infatti perso la loro completa polarizzazione di spin, come previsto, " Ha detto Shayegan. "Ma poi è arrivata una sorpresa completamente inaspettata:quando abbiamo abbassato ancora di più la densità, all'improvviso, i fermioni compositi sono diventati di nuovo completamente spin polarizzati. Avevamo la sensazione che questo potesse essere il risultato della debole interazione "residua" tra i fermioni compositi, ma non siamo stati in grado di dimostrarlo".

Se il fenomeno osservato da Shayegan e dal suo team lo fa, infatti, risultano dalle deboli interazioni residue tra diversi fermioni compositi, questo fenomeno ricorda molto il ferromagnetismo di Bloch, lo stato predetto da Bloch nel 1929. Sorprendentemente, questo effetto si è finora dimostrato molto difficile da dimostrare sperimentalmente.

"Una chiave del successo dei nostri esperimenti è stata la disponibilità di farmaci drogati con modulazione, strutture semiconduttrici di arseniuro di gallio/arseniuro di gallio-alluminio di altissima qualità, " Shayegan ha detto. "Questi erano cresciuti, utilizzando l'epitassia a fascio molecolare del nostro collega di Princeton Loren Pfeiffer e del suo gruppo".

Per ottenere maggiori informazioni sul fatto che il fenomeno osservato fosse effettivamente paragonabile al ferromagnetismo di Bloch, Shayegan e il suo team hanno contattato Jainendra Jain, un fisico teorico alla Pennsylvania State University. Jain e i suoi studenti, Tongzhou Zhao e Songyang Pu, effettuato una serie di calcoli volti ad accertare la validità dell'ipotesi dei ricercatori.

"Quando i miei colleghi di Princeton mi hanno parlato per la prima volta del loro risultato sperimentale, è stata una sorpresa totale, " disse Jain. "Il modello dei fermioni compositi liberi funziona così bene per il loro mare di Fermi al livello di Landau pieno per metà, che non mi aspettavo una fisica tipo Bloch qui; tale comportamento non era certo previsto da alcuna teoria esistente. Si tratta di un problema molto complesso da affrontare teoricamente, perché si riferisce a piccolissimi cambiamenti di energia in funzione della densità."

Per acquisire una comprensione teorica del fenomeno osservato da Shayegan e dal suo team, Jain ei suoi studenti hanno utilizzato uno strumento noto come "metodo Monte Carlo di diffusione a fase fissa". Quando hanno applicato questo costrutto teorico al problema in questione, hanno scoperto che lo stato ferromagnetico era predominante al di sotto di una densità critica.

Inoltre, Jain ei suoi studenti hanno scoperto che il valore della densità critica derivato dai loro calcoli era vicino al valore osservato dai loro colleghi a Princeton. I loro risultati supportano quindi l'ipotesi che lo stato osservato assomigli al ferromagnetismo di Bloch.

"La fisica sottostante si è rivelata simile a quella degli elettroni a campo magnetico zero, " Jain ha spiegato. "L'energia di interazione dei fermioni compositi preferisce lo stato ferromagnetico mentre la loro energia cinetica lo stato paramagnetico. Al diminuire della densità, ad un certo punto vince l'energia di interazione, provocando una transizione in una fase completamente ferromagnetica."

I sistemi semplici con elettroni interagenti sono molto comuni e i fermioni interagenti si trovano in tutti i metalli, quindi questi sistemi sono stati spesso al centro degli studi di fisica. Sebbene siano stati ampiamente studiati, Il ferromagnetismo di Bloch in questi sistemi non è stato ancora chiaramente osservato.

Questo team di ricercatori è stato tra i primi ad osservare un effetto che ricorda il ferromagnetismo di Bloch. Inoltre, hanno osservato questo effetto in un insieme insolito di quasi-particelle (cioè, un mare di Fermi di fermioni compositi), che è stato sorprendente e inaspettato.

"La teoria dei fermioni compositi è ben consolidata, "Md Shafayat Hossain, l'autore principale dello studio, ha detto a Phys.org. "La maggior parte della fenomenologia in teoria e degli esperimenti che coinvolgono i fermioni compositi può essere compresa senza alcuna interazione tra i fermioni compositi. Pertanto, questa è forse l'ultima piattaforma in cui ci si aspetta di trovare le firme di interazioni forti. Sorprendentemente, però, i nostri esperimenti rivelano che i fermioni compositi subiscono il ferromagnetismo di Bloch, che è una manifestazione prototipica di una forte interazione inter-fermione".

Il recente lavoro di Shayegan, Giainista, Hossain e i loro colleghi hanno prodotto una serie di risultati interessanti, che hanno importanti implicazioni sia per lo studio del ferromagnetismo di Bloch che dei fermioni compositi. Da una parte, dimostra l'esistenza di una transizione indotta dall'interazione al ferromagnetismo che è allineata con il fenomeno previsto da Bloch nel 1929.

D'altra parte, il recente documento migliora l'attuale comprensione dei fermioni compositi, poiché mostra che a densità molto basse queste quasi-particelle possono avere forti interazioni tra loro. Nei loro studi successivi, i ricercatori intendono continuare a cercare il ferromagnetismo di Bloch nei fermioni, in particolare in condizioni caratterizzate da campo magnetico nullo.

"Quando un sistema di elettroni viene reso sufficientemente diluito in modo che l'energia di Coulomb prevalga sull'energia cinetica (di Fermi), gli elettroni dovrebbero allineare i loro spin e diventare completamente magnetizzati, " ha detto Shayegan. "Questo è il problema originale che Bloch, e poi Edmund Stoner (nel 1947), e altri discussi; un classico, problema da manuale che è sfuggito agli esperimenti. La sfida sperimentale è rendere il sistema elettronico molto diluito, e tuttavia mantenere il potenziale di disturbo (che compete con l'interazione di Coulomb e vuole intrappolare gli elettroni in siti casuali) a un livello minimo. Pensiamo con nuovo, sistemi di elettroni drogati in modulazione, c'è una possibilità di inchiodare finalmente la transizione di Bloch per gli elettroni a campo zero."

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