Naukowcy odkryli dziwną substancję, w której elektrony stoją w miejscu

Nowe badania potwierdzają metodę sterowanego wykrywania materiałów 3D w płaskiej skali.

Naukowcy z Uniwersytetu Rice odkryli pierwszy w swoim rodzaju materiał: trójwymiarowy krystaliczny metal, w którym korelacje kwantowe i geometria struktury kryształu łączą się, aby udaremnić ruch elektronów i utrzymać je na miejscu.

Odkrycie zostało szczegółowo opisane w badaniu opublikowanym w Fizyka przyrody. W artykule opisano także teoretyczną zasadę projektowania i metodologię eksperymentalną, która doprowadziła zespół badawczy do materiału. Jedna część miedzi, dwie części wanadu i cztery części siarki Stop Zawiera trójwymiarową siatkę pirochloru składającą się z czworościanów o wspólnych narożnikach.

Splątanie kwantowe i lokalizacja elektronów

„Szukamy materiałów, które potencjalnie mają nowe stany materii lub nowe egzotyczne cechy, które nie zostały odkryte” – powiedział współautor badania Ming Yi, fizyk eksperymentalny w Rice.

Materiały kwantowe mogą stać się miejscem badań, zwłaszcza jeśli zawierają silne oddziaływania elektronowe, które prowadzą do splątania kwantowego. Splątanie prowadzi do dziwnych zachowań elektronów, w tym do hamowania ruchu elektronów do punktu, w którym zostają one unieruchomione.

„Ten efekt interferencji kwantowej przypomina fale falujące po powierzchni stawu i zderzające się czołowo” – powiedział Yi. „Zderzenie tworzy falę stojącą, która się nie porusza. W przypadku geometrycznie sfrustrowanych materiałów sieciowych to funkcje fali elektronicznej zakłócają destrukcyjnie.

Doktor habilitowany na Uniwersytecie Rice, Jianwei Huang, udostępnił urządzenie laboratoryjne, którego używał do przeprowadzania eksperymentów ze spektroskopią fotoemisyjną pod określonym kątem na stopie miedzi i wanadu. Eksperymenty wykazały, że stop jest pierwszym znanym materiałem, w którym trójwymiarowa struktura kryształu i silne oddziaływania kwantowe utrudniają ruch elektronów i utrzymują je w miejscu, w wyniku czego powstaje płaska poprzeczka elektronowa. Źródło: Jeff Vitello/Uniwersytet Rice

Lokalizacja elektronów w metalach i półmetalach tworzy płaskie domeny elektroniczne, czyli płaskie pasma. W ostatnich latach fizycy odkryli, że geometryczne rozmieszczenie atomów w niektórych kryształach 2D, takich jak sieci Kagome, może również powodować powstawanie płaskich wstęg. Nowe badanie dostarcza eksperymentalnych dowodów na wpływ materii 3D.

Zaawansowane techniki i niesamowite rezultaty

Korzystając z techniki eksperymentalnej zwanej spektroskopią fotoemisyjną z rozdzielczością kątową (ARPES), Ye i główna autorka badania Jianwei Huang, badaczka ze stopniem doktora w swoim laboratorium, szczegółowo opisali strukturę wstęgi miedzi, wanadu i siarki i odkryli, że zawiera ona płaską wstęgę, która jest wyjątkowa na kilka sposobów.

„Okazuje się, że w tym materiale oba rodzaje fizyki są ważne” – powiedział Yee. „Jak przewidywała teoria, wystąpił aspekt frustracji geometrycznej. Miłą niespodzianką było to, że istniały również efekty korelacji, które wytworzyły płaskie pasmo na poziomie Fermiego, gdzie mogło ono aktywnie uczestniczyć w określaniu właściwości fizycznych. „

Jianwei Huanga. Źródło: Jeff Vitello/Uniwersytet Rice

W ciele stałym elektrony zajmują stany kwantowe podzielone na pasma. Te pasma elektroniczne można traktować jako szczeble drabiny, a odpychanie elektrostatyczne ogranicza liczbę elektronów, które mogą zająć każdy szczebel. Poziom Fermiego, nieodłączna właściwość materiałów i właściwość krytyczna przy określaniu ich struktury pasmowej, odnosi się do poziomu energii najwyższej zajmowanej pozycji na drabinie.

Spostrzeżenia teoretyczne i kierunki na przyszłość

Rice jest fizykiem teoretycznym i współautorem badania Kimiao Si, którego grupa badawcza zidentyfikowała stop miedzi i wanadu oraz jego strukturę krystaliczną pirochloru jako potencjalne źródło połączonych efektów frustracji wynikających z geometrii i silnych interakcji elektronicznych, porównał to odkrycie do znalezienia nowy kontynent. .

„To pierwsza praca, która pokazuje nie tylko współpracę między frustracją inżynierską a interakcją, ale także kolejny etap, polegający na umieszczeniu elektronów w tej samej przestrzeni na szczycie drabiny (energetycznej), gdzie istnieje maksymalna możliwość zreorganizować je w nowe fazy” – powiedział Si. Ciekawe i potencjalnie skuteczne.

Powiedział, że metodologia predykcyjna lub zasada projektowania zastosowana w badaniu przez jego grupę badawczą może być również użyteczna dla teoretyków badających materiały kwantowe o innych strukturach sieci krystalicznej.

„Pyrochlor nie jest jedyną grą w mieście” – powiedział See. „To nowa zasada projektowania, która pozwala teoretykom przewidywać identyfikację materiałów, w których powstają płaskie pasma w wyniku silnych korelacji elektronicznych”.

Yi powiedział, że istnieją także duże możliwości dalszych eksperymentalnych badań kryształów pirochloru.

„To dopiero wierzchołek góry lodowej” – dodała. „To coś trójwymiarowego, co jest czymś nowym, a biorąc pod uwagę liczbę niesamowitych wyników, jakie uzyskano w sieciach Kagome, wyobrażam sobie, że równie, a może nawet bardziej ekscytujące odkrycia można dokonać w przypadku materiałów pirochlorowych”.

Odniesienie: „Zachowanie płynu innego niż Fermi w płaskiej siatce pirochloru” autorstwa Jianwei Huanga, Li Chena, Yufei Huanga, Chandana Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turguta Yilmaza, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, Dongwei Lou, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si i Ming Yi, 26 stycznia 2024 r., Fizyka przyrody.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Zespół badawczy składał się z 10 badaczy ryżu z czterech laboratoriów. Grupa badawcza fizyka Pingqing Dai wyprodukowała kilka próbek potrzebnych do weryfikacji eksperymentalnej, a grupa badawcza Borisa Jakobssona na Wydziale Nauki o Materiałach i Nanoinżynierii przeprowadziła wstępne obliczenia, które określają ilościowo efekty płaskopasmowe wynikające z frustracji geometrycznej. Eksperymenty ARPES przeprowadzono w Rice oraz w Synchrotron Light Source II w SLAC National Laboratory w Kalifornii oraz w Second National Synchrotron Light Source w Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku, a w skład zespołu weszli współpracownicy z SLAC, Brookhaven i Brookhaven National Institute. uniwersytet Waszyngtoński.

W badaniu wykorzystano zasoby w ramach umowy Departamentu Energii (DOE) z SLAC (DE-AC02-76SF00515) oraz granty z inicjatywy Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative Fundacji Gordona i Betty Moore (GBMF9470) oraz Fundacji im. Roberta A. Fundacja Welcha. Przedsiębiorstwo (C-2175, C-1411, C-1839), Biuro Nauk o Podstawowej Energii DOE (DE-SC0018197), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Narodową Fundację Nauki (2100741), Biuro Badań Marynarki Wojennej (ONR) (N00014-22-1-2753) oraz program stypendialny Vannevar Bush Faculty Fellows Program administrowany przez ONR Departamentu Obrony Biuro Badań Podstawowych (ONR-VB ) nr 00014-23-1-2870).