I liquidi di Fermi sono sistemi quantistici in cui i fermioni (come gli elettroni in un metallo) si comportano collettivamente in modo prevedibile alla temperatura dello zero assoluto, equivalente a 0 Kelvin o -273,15°C.

I fermioni sono una delle due classi fondamentali di particelle nell'universo e obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac (FD). Questo descrive la loro distribuzione quando il sistema è in equilibrio termico.

È qui che incontriamo un interessante sistema quantistico chiamato liquido di Fermi. Il termine "liquido Fermi" deriva dall'idea che, analogamente a come un liquido scorre liberamente e può cambiare forma, i fermioni in un liquido Fermi si muovono relativamente liberamente all'interno del materiale a causa del loro comportamento collettivo.

Per i liquidi di Fermi, il comportamento dei fermioni è caratterizzato da una superficie di Fermi. La superficie di Fermi segna una separazione negli stati energetici del liquido Fermi, indicando gli stati energetici pieni e vuoti occupati dai fermioni.

I ricercatori erano motivati ​​a capire cosa succede agli elettroni quando viene loro applicata una forza motrice periodica mentre sono accoppiati con un bagno di calore fermionico.

Lo studio, pubblicato in Physical Review Letters , è stato condotto dal Dr. Li-kun Shi e dal Dr. Inti Sodemann Villadiego dell'Università di Lipsia in Germania e dal Dr. Oles Matsyshyn e dal Dr. Justin C. W. Song della Nanyang Technological University di Singapore.

Phys.org ha parlato con i ricercatori, che hanno citato una domanda più importante a cui speravano di rispondere:le fotocorrenti (correnti risultanti dall'illuminazione di un materiale) esistono nei cristalli puri (come metalli e semiconduttori) anche quando il materiale non assorbe la luce?

Questa domanda li ha portati al liquido Floquet Fermi.

Il liquido Floquet Fermi

In un liquido di Fermi, gli stati energetici sono continui, con stati energetici pieni al di sotto dell'energia di Fermi e stati vuoti al di sopra di essa. Il livello energetico di Fermi segna il livello energetico al quale la probabilità di trovare uno stato fermionico passa da quasi il 100% occupato a quasi lo 0% occupato.

Allo zero assoluto tutti gli stati fino all’energia di Fermi sono pieni e tutti gli stati sopra sono vuoti. Questo livello di energia definisce effettivamente la superficie di Fermi nello spazio della quantità di moto:un concetto teorico che aiuta a visualizzare ciò che sta accadendo all'interno della materia.

Quando applichiamo una forza periodica su un liquido di Fermi, i suoi normali livelli di energia vengono modificati in bande di Floquet, che sono i livelli di energia modificati del liquido di Fermi a causa della forza motrice. Immaginatelo come delle increspature che si formano sulla superficie dell'acqua.

I ricercatori ora volevano capire cosa succede se questo sistema viene portato lontano dall’equilibrio. Per fare ciò, i ricercatori hanno introdotto un bagno fermionico, che è un serbatoio o ambiente composto da fermioni.

I ricercatori hanno scoperto che il liquido Fermi risultante si trova in uno stato banale non stazionario, chiamato liquido Floquet Fermi. Hanno scoperto che il liquido risultante non seguiva le tipiche statistiche FD.

Scala FD e superfici nidificate

In questo caso, lo stato FFL è considerato non banale perché emerge come risultato dell'interazione tra forze motrici periodiche, interazioni fermioniche e l'ambiente circostante.

Invece di una transizione graduale negli stati energetici, simile a un singolo salto tipicamente osservato nelle distribuzioni FD di equilibrio, l'occupazione degli stati energetici ha mostrato uno schema a scala con più salti.

"Ognuno di questi salti porta alla comparsa di una nuova superficie Fermi (la superficie Floquet Fermi)", ha spiegato il dottor Shi.

"Le superfici Floquet Fermi che appaiono nello stato FFL sono racchiuse l'una nell'altra", ha aggiunto il Dr. Matsyshyn.

Pensatelo come superfici Fermi stratificate, simili alla situazione di una bambola russa che nidifica. Queste superfici Floquent Fermi influenzano il comportamento complessivo del sistema, dando origine a fenomeni specifici.

Modelli di battito nelle oscillazioni quantistiche e controllo del comportamento elettronico

Le oscillazioni quantistiche sono cambiamenti periodici nelle proprietà di un materiale, come la resistenza, in funzione di parametri esterni come il campo magnetico o la pressione.

I ricercatori hanno osservato schemi di battito nelle oscillazioni quantistiche sotto l'influenza di un campo magnetico esterno nel caso degli FFL.

Questi modelli nascono dall'interferenza tra superfici Floquet Fermi di diverse dimensioni, che sono annidate l'una nell'altra. La presenza di più superfici Floquet Fermi porta a effetti di interferenza costruttivi e distruttivi, con conseguenti oscillazioni della resistenza.

"I modelli di battito nelle oscillazioni quantistiche sono coerenti con gli esperimenti MIRO (oscillazioni di resistenza indotte da microonde) osservati in sistemi elettronici bidimensionali", ha spiegato il dottor Song.

Forniscono inoltre un mezzo per progettare e personalizzare il comportamento elettronico del sistema.

Il Dr. Villadiego ha affermato:"La presenza di più superfici Fermi consente un maggiore controllo sulle proprietà elettroniche del sistema. Regolando la frequenza o l'intensità della luce, possiamo manipolare la forma e la separazione delle superfici Floquet Fermi."

Ciò offre nuove possibilità per controllare il comportamento elettronico.

Potenziali applicazioni e approfondimenti

Una delle lezioni più interessanti che i ricercatori sottolineano è che lo stato stazionario non dovrebbe essere visto, come ha affermato il dottor Shi, come "una sorta di versione noiosa e leggermente più calda della distribuzione di equilibrio FD".

"Invece, il sistema si avvicina a uno stato stazionario, che ha una densità di energia maggiore rispetto allo stato di equilibrio, ma questa energia in eccesso non viene immagazzinata come una sorta di calore informe ma porta invece a una riorganizzazione molto precisa dell'occupazione degli stati che mantiene una precisa natura quantistica," ha detto il dottor Matshyn.

I ricercatori hanno anche fornito condizioni o criteri da soddisfare per realizzare sperimentalmente il FFL. Hanno inoltre elencato diverse possibili strade per lavori futuri, una delle quali è la questione originale della fotocorrente nei materiali sfusi.

"Utilizzando il nostro stato liquido Floquet Fermi, si può dimostrare rigorosamente che è effettivamente possibile che anche la luce puramente monocromatica guidi una corrente netta raddrizzata, anche quando la sua frequenza è all'interno dell'intervallo," ha affermato il Dott. Villadiego.

"Queste idee potrebbero essere rilevanti per lo sviluppo di nuove tecnologie optoelettroniche come amplificatori di luce, sensori, celle solari e dispositivi per la raccolta di energia", ha concluso il dott. Song.