Els científics resolen un problema teòric obert sobre les interaccions electròniques

Shaffique Adam, professor associat de Ciències (Física) a Yale-NUS, és l'autor principal d'un treball recent que descriu un model d'interacció electrònica en materials de Dirac, una classe de materials que inclou aïlladors de grafè i topològics, que resol un problema teòric obert fa 65 anys. El descobriment ajudarà als científics a comprendre millor la interacció electrònica en nous materials, aplanant el camí per al desenvolupament d'equips avançats com processadors més ràpids.

El comportament dels electrons es regeix per dues teories principals: la llei de Coulomb i la teoria de líquids de Fermi. Segons la teoria de líquids de Fermi, els electrons en un material conductor es comporten com un líquid: el seu "flux" a través d'un material és el que provoca l'electricitat. Per als fermions de Dirac, la teoria de líquids de Fermi es descompon si la força de Coulomb entre els electrons travessa un determinat llindar: els electrons "es congelen" en un patró més rígid que inhibeix el "flux" dels electrons, fent que el material es converteixi en no conductor.

Durant més de 65 anys, aquest problema era una curiositat matemàtica, perquè els materials de Dirac on es va arribar el llindar de Coulomb encara no existie. Avui en dia, però, utilitzem materials quantics per a aplicacions en tecnologia, com transistors en processadors, on els electrons estan dissenyats per tenir propietats desitjades, incloent aquelles que possent a proba la força de Coulomb per sobre d'aquest llindar. Però els efectes d'una forta interacció electrònica només es pot veure en mostres molt netes.

En els treballs immediatament posteriors al seu doctorat, el professor associat Adam va proposar un model per descriure materials de Dirac experimentalment disponibles que estaven "molt bruts", que significa que contenen moltes impureses. No obstant això, en els anys que van seguir, s'han obtingut materials més nous i més nets, i la teoria més antiga ja no funcionava.

En aquest últim treball, titulat "El paper de les interaccions entre electrons i electrons en fermions bidimensionals de Dirac", el professor associat Adam i el seu equip de recerca han desenvolupat un model que explica les interaccions d'electrons més enllà del llindar de Coulomb en tots els materials de Dirac utilitzant una combinació de tècniques numèriques i analítiques.

En aquesta investigació, l'equip va dissenyar un mètode per estudiar l'evolució dels observables físics d'una manera controlable i l'utilitzava per fer front als efectes competidors de peces de curt abast i de gran abast en models de la interacció Coulomb. Els investigadors van descobrir que la velocitat dels electrons (la velocitat del "flux") en un material podria disminuir si la interacció de curt abast que va afavorir l'estat aïllant i "congelat" dominava. No obstant això, la velocitat dels electrons podria ser millorada pel component de llarg abast que afavoria l'estat "líquid" conductor. Amb aquest descobriment, els científics poden comprendre millor les interaccions de llarg abast dels electrons no perturbadors, cosa que les teories anteriors no van poder explicar.

Aquesta comprensió millorada en l'evolució de la velocitat electrònica durant la transició de fase allunya el camí per ajudar els científics a desenvolupar dispositius de dissipació de baixa calor per a l'electrònica. Com més alta sigui la velocitat de l'electró, els transistors podran ser més ràpids. Tanmateix, aquest rendiment del processador més ràpid te un preu, una major fuita d'energia, que produeix calor extra i aquesta calor contrarestarà l'augment del rendiment atorgat per la commutació més ràpida. Els resultats sobre el comportament de la velocitat electrònica ajudaran els científics a enginyar dispositius capaços de canviar de manera més ràpida però major rendiment donat per una menor fuga de potència. Com que el mecanisme del nou model aprofita la força de Coulomb, costaria menys energia per 'interruptor' en comparació amb els mecanismes disponible actualment.

 Font: Col·legi Yale-NUS