作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 作为密度函数的复合费米子自旋极化的图解演化
在大密度下，复合费米子是完全自旋极化的(所有的自旋都在一个方向上)
当密度降低到n = 4以下时
2 × 10^10 cm^-2，全自旋极化丢失(I
e
一些复合费米子顺时针旋转，其余的逆时针旋转)
在更低的密度n = 3时
然而，51× 10^10 cm^-2，复合费米子突然变得完全自旋极化(都在一个方向上旋转)，标志着一个类似布洛赫的跃迁
信用:Md Shafayat Hossain等人
复合费米子是在相对大的垂直磁场中相互作用的二维费米子系统中发现的奇异准粒子
这些由一个电子和两个磁通量量子组成的准粒子，经常被用来描述一种被称为分数量子霍尔效应的物理现象
普林斯顿大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近使用复合费米子来测试物理学家费利克斯·B·洛克在近一个世纪前提出的理论，该理论认为，在非常低的密度下，顺磁性的费米电子“海洋”应该自发地转变为完全磁化的状态，这就是现在所说的布洛赫铁磁性
他们发表在《自然物理学》上的论文提供了向完全磁化的突然转变的证据，这与布洛赫的状态理论紧密一致
“复合费米子真的很了不起，”普林斯顿大学电气工程教授曼苏尔·沙伊根告诉《物理》杂志，他是进行这项研究的研究人员之一
（同organic）有机
“它们是由相互作用和磁通量产生的，然而它们将如此复杂的系统映射成一个简单的准粒子集合，这些粒子在很大程度上表现为非相互作用的，并且表现得好像它们感觉不到大磁场
它们最有趣的特性之一是它们的自旋极化
" 当强磁场作用于它们并且塞曼能量占优势时，复合费米子被认为变得完全自旋极化(即
e
完全磁化)
另一方面，在较低的磁场下，它们通常只被部分磁化，因为库仑能起着相当大的作用
沙耶根和他的同事们被复合费米子的这一独特特征迷住了，开始进一步探索和研究它
为了做到这一点，他们使用了一种直接测量自旋极化的技术，这种技术依赖于复合费米子在相对较长的距离上的弹道(无碰撞)传输，大约为0
2微米
“我们看到，当我们降低复合费米子的密度时(因此也降低了它们形成时的磁场)，它们确实如预期的那样失去了完整的自旋极化，”沙伊根说
“但随后出现了完全出乎意料的惊喜:当我们进一步降低密度时，突然之间，复合费米子再次完全自旋极化
我们有一种预感，这可能是复合费米子之间微弱的“残余”相互作用的结果，但我们无法证明这一点
" 事实上，如果沙耶根和他的团队观察到的现象是由不同复合费米子之间的弱剩余相互作用引起的，这种现象将非常令人想起布洛赫铁磁性，布洛赫在1929年预测的状态
值得注意的是，到目前为止，这种效应很难用实验来证明
沙耶根说:“我们实验成功的一个关键是获得了极高质量的调制掺杂砷化镓/铝砷化镓半导体结构。”
“这些是我们的普林斯顿同事洛伦·普费弗和他的团队利用分子束外延技术生长的
" 为了更深入地了解他们观察到的现象是否真的可以与布洛赫铁磁性相媲美，沙耶根和他的团队联系了宾夕法尼亚州立大学的理论物理学家贾宁德拉·贾恩
贾恩和他的学生赵同洲和蒲松阳进行了一系列计算，旨在确定研究人员假设的有效性
低密度下全自旋极化复合费米子的磁化
信用:Md Shafayat Hossain等人
“当我的普林斯顿同事第一次告诉我他们的实验结果时，我感到非常惊讶，”贾恩说
“自由复合费米子的模型在半填充朗道能级上对它们的费米海非常有效，以至于我在这里没有想到布洛赫类型的物理；任何现有的理论都无法预测这种行为
这在理论上是一个非常复杂的问题，因为它涉及到作为密度函数的能量的微小变化
" 为了从理论上理解沙耶根和他的团队观察到的现象，贾恩和他的学生使用了一种被称为“固定相扩散蒙特卡罗”方法的工具
当他们将这一理论结构应用于手头的问题时，他们发现铁磁态在临界密度以下占主导地位
此外，贾恩和他的学生发现，从他们的计算中得出的临界密度值接近他们在普林斯顿的同事观察到的值
因此，他们的结果支持了观察到的状态类似布洛赫铁磁性的假设
“基础物理被揭示为类似于零磁场下的电子，”贾恩解释道
复合费米子的相互作用能倾向于铁磁性态，而它们的动能倾向于顺磁性态
当密度降低时，在某一点上，相互作用能获胜，导致转变为完全铁磁相
" 具有相互作用电子的简单系统非常普遍，相互作用费米子在所有金属中都存在，因此这些系统经常是物理学研究的焦点
尽管已经对它们进行了广泛的研究，但这些系统中的布洛赫铁磁性还没有被清楚地观察到
这组研究人员是第一批观察到类似布洛赫铁磁性效应的人之一
此外，他们在一组不寻常的准粒子(即
e
，费米合成费米子的海洋)，这是令人惊讶和意想不到的
“复合费米子的理论已经被很好地建立起来了，”该研究的主要作者Md Shafayat Hossain告诉Phys
（同organic）有机
“大多数涉及复合费米子的理论和实验中的现象学可以在复合费米子之间没有任何相互作用的情况下被理解
因此，这可能是人们期望找到强交互特征的最后一个平台
然而，令人惊讶的是，我们的实验揭示了复合费米子经历了布洛赫铁磁性，这是强相互作用的典型表现
" 沙耶根、贾恩、侯赛因和他们的同事最近的工作产生了许多有趣的结果，对布洛赫铁磁性和复合费米子的研究都有重要的意义
一方面，它证明了相互作用诱导的向铁磁性转变的存在，这与布洛赫在1929年预测的现象一致
另一方面，最近的论文增强了目前对复合费米子的理解，因为它表明，在非常低的密度下，这些准粒子之间可以有很强的相互作用
在接下来的研究中，研究人员计划继续在费米子中寻找布洛赫铁磁性，特别是在零磁场的条件下
“当一个电子系统被充分稀释，使得库仑能支配动能(费米能)时，电子应该排列它们的自旋，并变得完全磁化，”沙耶根说
“这是布洛赫以及后来埃德蒙·斯通纳(1947年)等人讨论的最初问题；一个经典的教科书般的问题，没有经过实验
实验上的挑战是使电子系统非常稀释，同时将无序势(与库仑相互作用竞争，并希望在随机位置屏蔽电子)保持在最低水平
我们认为有了新的调制掺杂电子系统，就有机会最终确定零场电子的布洛赫跃迁
"
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