Vedci objavili zvláštny materiál, kde elektróny stoja na mieste

Nový výskum potvrdzuje metódu priameho objavovania 3D plochých materiálov.

Vedci z Rice University objavili prvý materiál svojho druhu: 3D kryštalický kov, v ktorom sa kvantové korelácie a geometria kryštálovej štruktúry kombinujú, aby obmedzili pohyb elektrónov a uzamkli ich na mieste.

Toto zistenie je podrobne opísané v štúdii publikovanej v fyzika prírody, Článok tiež popisuje teoretický princíp návrhu a experimentálnu metodológiu, ktoré viedli výskumný tím k materiálu. Jeden diel medi, dva diely vanádu a štyri diely síry Kovové zliatiny Má 3D pyrochlórovú mriežku pozostávajúcu z štvorstenov zdieľajúcich rohy.

Kvantové previazanie a lokalizácia elektrónov

„Hľadáme materiály, kde sú potenciálne nové stavy hmoty alebo nové exotické prvky, ktoré neboli objavené,“ povedal Ming Yi, experimentálny fyzik Rice a spoluautor štúdie.

Kvantové materiály sú jedným z potenciálnych miest, na ktoré sa treba pozrieť, najmä ak sú hostiteľmi silných elektrónových interakcií, ktoré vedú ku kvantovému zapleteniu. Zapletenie spôsobuje zvláštne elektronické správanie, vrátane narušenia pohybu elektrónov do bodu, kedy sa zablokujú na mieste.

„Tento efekt kvantovej interferencie je podobný vlnám, ktoré sa vlnia a stretávajú sa čelne na hladine rybníka,“ povedal Yi. „Kolízia vytvorí stojatú vlnu, ktorá sa nehýbe. V prípade geometricky frustrovaných mriežkových materiálov sú to práve elektronické vlnové funkcie, ktoré deštruktívne rušia.

Jianwei Huang, postdoktorandský výskumný pracovník na Rice University, vykonal experimenty fotoemisnej spektroskopie s rozlíšením uhla na zliatine medi a vanádu s laboratórnym vybavením. Experimenty odhalili, že zliatina je prvým známym materiálom, v ktorom 3D kryštálová štruktúra a silné kvantové interakcie obmedzujú pohyb elektrónov a blokujú ich na mieste, čo vedie k plochému elektronickému pásiku. Poďakovanie: Jeff Fitlow/Rice University

Lokalizácia elektrónov v kovoch a polokovoch vytvára ploché elektronické pásy alebo ploché pásy. V posledných rokoch fyzici zistili, že geometrické usporiadanie atómov v niektorých 2D kryštáloch, ako sú Kagome mriežky, môže tiež vytvárať ploché pásy. Nová štúdia poskytuje empirický dôkaz účinku v 3D obsahu.

Pokročilé techniky a prekvapivé zistenia

Použitím experimentálnej techniky nazývanej fotoemisná spektroskopia s rozlíšením uhla alebo ARPES, Yi a hlavný autor štúdie Jianwei Huang, postdoktorandský výskumník vo svojom laboratóriu, opísali pásovú štruktúru materiálu medi, vanádu a síry a zistili, že obsahuje plochý pás. Jedinečný v mnohých smeroch.

„Ukazuje sa, že oba typy fyziky sú v tomto materiáli dôležité,“ povedal Yi. „Ako teória predpovedala, bol tam faktor geometrickej frustrácie. Príjemným prekvapením bolo, že existovali aj korelačné efekty, ktoré vytvorili ploché pásy na Fermiho úrovni, kde sa môže aktívne podieľať na určovaní fyzikálnych vlastností.

Jianwei Huang. Poďakovanie: Jeff Fitlow/Rice University

V pevnom stave elektróny zaberajú kvantové stavy, ktoré sú rozdelené do pásov. Tieto elektronické pásma si možno predstaviť ako priečky na rebríku a elektrostatické odpudzovanie obmedzuje počet elektrónov, ktoré môžu obsadiť každú priečku. Fermiho hladina, inherentná vlastnosť materiálov a dôležitá pre určenie ich pásovej štruktúry, sa vzťahuje na energetickú hladinu najvyššej obsadenej pozície na rebríku.

Teoretické postrehy a budúce smery

Teoretický fyzik Rice a spoluzodpovedajúci autor štúdie Qimiao Si, ktorého výskumná skupina identifikovala zliatinu medi a vanádu a jej pyrochlórovú kryštálovú štruktúru ako potenciálneho hostiteľa kombinovaných frustračných efektov z geometrie a silných elektrónových interakcií, urobil tento objav v porovnaní s objavom nový kontinent. ,

„Toto je skutočne prvé dielo, ktoré ukazuje nielen túto spoluprácu medzi geometrickou a interakciou poháňanou frustráciou, ale aj ďalší krok, ktorým je presun elektrónov na rovnaké miesto na vrchole (energetického) rebríčka, kde je Jeden. maximalizovať možnosť ich reorganizácie do zaujímavých a potenciálne funkčných nových fáz,“ povedal C.

Povedal, že metodológia predikcie alebo princíp dizajnu, ktorý jeho výskumná skupina použila v štúdii, by sa mohla ukázať ako užitočná aj pre teoretikov, ktorí študujú kvantové materiály s inými štruktúrami kryštálovej mriežky.

„Pyrochlor nie je jediná hra v meste,“ povedal See. „Ide o nový princíp dizajnu, ktorý umožňuje teoretikom predpovedať materiály, v ktorých vznikajú ploché pásy v dôsledku silnej elektrónovej korelácie.“

Existuje tiež dostatok priestoru na ďalšie experimentálne skúmanie kryštálov pyrochlóru, povedal Yi.

„Toto je len špička ľadovca,“ povedala. „Je to 3D, čo je nové, a vzhľadom na to, koľko úžasných objavov bolo urobených na mriežke Kagome, si predstavujem, že rovnako alebo možno ešte vzrušujúcejšie objavy môžu byť urobené v pyrochlórových materiáloch.“

Odkaz: „Správanie nefermiovských tekutín v korelovanej plochej mriežke pyrochlóru“ od Jianwei Huang, Lei Chen, Yufei Huang, Chandan Setty, Bin Gao, Yu Shi, Zhaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto. , Donghui Lu, Boris I. Jacobson, Pengcheng Dai, Jiyun-Hou Chu, Qimiao Si a Ming Yi, 26. januára 2024, fyzika prírody,
DOI: 10.1038/s41567-023-02362-3

Výskumný tím zahŕňal 10 výskumníkov ryže zo štyroch laboratórií. Výskumná skupina fyzika Pengcheng Dai pripravila veľa vzoriek potrebných na experimentálnu validáciu a výskumná skupina Borisa Yakobsona na oddelení materiálovej vedy a nanoinžinierstva vykonala výpočty prvých princípov, ktoré kvantifikovali efekty plochého pásma spôsobeného geometrickou frustráciou. Experimenty ARPES sa uskutočnili v Rice and SLAC National Accelerator Laboratory Stanford Synchrotron Radiation Lightsource v Kalifornii a National Synchrotron Light Source II v Brookhaven National Laboratory v New Yorku a tím zahŕňal spolupracovníkov zo SLAC, Brookhaven a Harvard University. Washingtonská univerzita,

Výskum využíval zdroje podporované zmluvou Ministerstva energetiky (DOE) so SLAC (DE-AC02-76SF00515) a bol podporený grantom od nadácie Gordon and Betty Moore's Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative (GBMF9470), Robert A. Welch Bolo to hotové. Foundation (C-2175, C-1411, C-1839), Úrad základných energetických vied DOE (DE-SC0018197), Úrad vedeckého výskumu letectva (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-0356) , Národná vedecká nadácia (2100741), Úrad pre námorný výskum (ONR) (N00014-22-1-2753) a program Vannevar Bush Faculty Fellows Program Úradu základného výskumu ministerstva obrany (ONR-VB) riadený ONR ( N00014-23-1-2870).