A tudósok egy furcsa anyagot fedeztek fel, ahol az elektronok mozdulatlanul állnak

Egy új kutatás validál egy módszert lapos léptékű 3D anyagok irányított kimutatására.

A Rice Egyetem tudósai felfedeztek egy első ilyen anyagot: egy 3D kristályos fémet, amelyben a kvantumkorrelációk és a kristályszerkezet geometriája egyesülve akadályozza meg az elektronok mozgását és tartja a helyükön.

A felfedezést egy ben publikált tanulmány részletezte Természetfizika. A cikk ismerteti az elméleti tervezési elvet és a kísérleti módszertant is, amely a kutatócsoportot az anyaghoz irányította. Egy rész réz, két rész vanádium és négy rész ként Ötvözet Egy 3D-s piroklórrácsot tartalmaz, amely tetraéderekből áll, amelyeknek közös sarkai vannak.

Kvantumösszefonódás és elektronlokalizáció

„Olyan anyagokat keresünk, amelyek potenciálisan új halmazállapotúak, vagy új egzotikus tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket még nem fedeztek fel” – mondta a tanulmány társszerzője, Ming Yi, a Rice kísérleti fizikusa.

A kvantumanyagok potenciálisan kutatási helyszínek lehetnek, különösen, ha erős elektronikus kölcsönhatásokat tartalmaznak, amelyek kvantumösszefonódáshoz vezetnek. Az összegabalyodás furcsa elektronikus viselkedésekhez vezet, beleértve az elektronok mozgásának gátlását addig a pontig, ahol a helyükre rögzülnek.

„Ez a kvantuminterferencia-effektus olyan, mint egy tó felszínén hullámzó hullámok, amelyek szembetalálkoznak” – mondta Yi. „Az ütközés egy állóhullámot hoz létre, amely nem mozdul, a geometriailag frusztrált rácsanyagok esetében az elektronikus hullámfüggvények zavarják meg destruktívan.

A Rice Egyetem posztdoktori kutatója, Jianwei Huang megosztott egy laboratóriumi eszközt, amellyel meghatározott szögű fotoemissziós spektroszkópiai kísérleteket végzett réz-vanádium ötvözeten. Kísérletek kimutatták, hogy az ötvözet az első ismert anyag, amelyben a háromdimenziós kristályszerkezet és az erős kvantumkölcsönhatások meghiúsítják az elektronok mozgását és a helyükön tartják őket, ami lapos elektronrudat eredményez. Köszönetnyilvánítás: Jeff Vitello/Rice University

A fémekben és félfémekben az elektronok lokalizációja lapos elektronikus tartományokat vagy lapos sávokat hoz létre. Az elmúlt években a fizikusok felfedezték, hogy egyes 2D kristályokban, például a Kagome-rácsokban az atomok geometriai elrendezése is képes lapos szalagokat létrehozni. Az új tanulmány kísérleti bizonyítékokkal szolgál a 3D-s anyagra gyakorolt ​​hatásról.

Fejlett technikák és lenyűgöző eredmények

A szögfelbontású fotoemissziós spektroszkópiának (ARPES) nevezett kísérleti technikát alkalmazva Ye és a tanulmány vezető szerzője, Jianwei Huang, a laboratóriumának posztdoktori kutatója részletezte a réz-vanádium-kén szalag szerkezetét, és megállapította, hogy az egyedülálló lapos szalagot tartalmaz. többféle módon.

„Kiderült, hogy a fizika mindkét típusa fontos ebben az anyagban” – mondta Yee. „A geometriai frusztráció szempontja ott volt, ahogy azt az elmélet megjósolta. A kellemes meglepetés az volt, hogy voltak olyan korrelációs hatások is, amelyek a Fermi-szinten létrehozták a lapos sávot, ahol aktívan részt vehetett a fizikai tulajdonságok meghatározásában.”

Jianwei Huang. Köszönetnyilvánítás: Jeff Vitello/Rice University

Szilárd testben az elektronok sávokra osztott kvantumállapotokat foglalnak el. Ezeket az elektronikus sávokat a létra fokainak tekinthetjük, és az elektrosztatikus taszítás korlátozza az egyes létrafokot elfoglalható elektronok számát. A Fermi-szint, amely az anyagok velejárója, és kritikus tulajdonsága a szalagszerkezetük meghatározásában, a létrán legmagasabban elfoglalt pozíciójának energiaszintjét jelenti.

Elméleti meglátások és jövőbeli irányok

Rice elméleti fizikus és a tanulmány társszerzője, Kimiao Si, akinek kutatócsoportja a réz-vanádium ötvözetet és annak piroklór kristályszerkezetét a geometria és az erős elektronikus kölcsönhatások kombinált frusztrációs hatásainak potenciális hordozójaként azonosította. A felfedezést a felfedezéshez hasonlította. egy új kontinenst. .

„Ez az első munka, amely nemcsak ezt az együttműködést mutatja be a mérnöki frusztráció és az interakció között, hanem a következő szakaszt is, amely az elektronok ugyanabban a térben való elhelyezését jelenti az (energia)létra tetején, ahol a lehető legtöbb lehetőség van új fázisokba szervezni őket” – mondta Si. Érdekes és potenciálisan hatékony.

Azt mondta, hogy a kutatócsoportja által a tanulmányban alkalmazott prediktív módszertan vagy tervezési elv hasznos lehet azon teoretikusok számára is, akik más kristályrácsszerkezettel rendelkező kvantumanyagokat tanulmányoznak.

„A Pyrochlor nem az egyetlen játék a városban” – mondta See. „Ez egy új tervezési elv, amely lehetővé teszi a teoretikusok számára, hogy előre jelezzék azokat az anyagokat, amelyekben az erős elektronikus korrelációk miatt lapos sávok keletkeznek.”

A piroklórkristályok további kísérleti feltárására is nagy lehetőség nyílik, mondta Yi.

„Ez csak a jéghegy csúcsa” – tette hozzá. „Ez háromdimenziós, ami új, és figyelembe véve a Kagome hálózataiban elért elképesztő eredmények számát, úgy gondolom, hogy hasonló vagy talán még izgalmasabb felfedezések születhetnek piroklór anyagokban.”

Hivatkozás: Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto „Non-Fermi Fluid Behavior in a Flat-Scale Pyrochlore Lattice” Dongwei Lou, Borisz I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si és Ming Yi, 2024. január 26., Természetfizika.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

A kutatócsoportban 10 Rice kutató vett részt négy laboratóriumból. Pingqing Dai fizikus kutatócsoportja több mintát állított elő, amelyek a kísérleti ellenőrzéshez szükségesek voltak, Boris Jakobsson kutatócsoportja az Anyagtudományi és Nanomérnöki Tanszéken pedig olyan előzetes számításokat végzett, amelyek számszerűsítik a geometriai frusztrációból eredő lapos sávos hatásokat. Az ARPES-kísérleteket Rice-ben és a kaliforniai SLAC National Laboratory Synchrotron Light Source II-ben, valamint a New York-i Brookhaven National Laboratory második nemzeti szinkrotron fényforrásában végezték, és a csapatban az SLAC, Brookhaven és Brookhaven National Institute munkatársai voltak. Washingtoni Egyetem.

A kutatáshoz az Energiaügyi Minisztérium (DOE) SLAC-val kötött szerződése (DE-AC02-76SF00515) által támogatott erőforrásokat használtak fel, és a Gordon and Betty Moore Alapítvány Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative (GBMF9470) és a Robert A. Welch Alapítvány. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Office of Basic Energy Sciences (DE-SC0018197), Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), a Nemzeti Tudományos Alapítvány (2100741), a Haditengerészeti Kutatási Hivatal (ONR) (N00014-22-1-2753) és a Vannevar Bush Faculty Fellows Program, amelyet az ONR a Védelmi Hivatal Alapkutatási Hivatala (ONR-VB) kezel. ) No. 00014-23-1-2870).