Oamenii de știință au descoperit o substanță ciudată în care electronii stau nemișcați

Cercetătorii de la Universitatea Rice au descoperit un nou mineral cristalin 3D care prinde electronii în loc datorită interacțiunii unice dintre corelațiile cuantice și structura geometrică a materialului. Această descoperire evidențiază rolul benzilor electronice plate în determinarea proprietăților materialelor și deschide calea pentru explorări ulterioare în materiale cuantice cu structuri de rețea piroclor. Credit: SciTechDaily.com

Noi cercetări validează o metodă pentru detectarea ghidată a materialelor 3D la scară plată.

Oamenii de știință de la Universitatea Rice au descoperit primul material de acest fel: un metal cristalin 3D în care corelațiile cuantice și geometria structurii cristaline se combină pentru a împiedica mișcarea electronilor și a le menține pe loc.

Descoperirea a fost detaliată într-un studiu publicat în Fizica naturii. Lucrarea descrie, de asemenea, principiul de proiectare teoretică și metodologia experimentală care a ghidat echipa de cercetare către material. O parte cupru, două părți vanadiu și patru părți sulf Aliaj Are o rețea piroclor 3D constând din tetraedre care împart colțuri.

Entanglement cuantic și localizarea electronilor

„Căutăm materiale care pot avea noi stări ale materiei sau noi caracteristici exotice care nu au fost descoperite”, a spus coautorul studiului Ming Yi, fizician experimental la Rice.

Materialele cuantice au potențialul de a fi un loc pentru cercetare, mai ales dacă conțin interacțiuni electronice puternice care duc la încurcarea cuantică. Încurcarea duce la comportamente electronice ciudate, inclusiv inhibarea mișcării electronilor până la punctul în care devin fixați pe loc.

„Acest efect de interferență cuantică este ca undele care se ondula pe suprafața unui iaz și se întâlnesc frontal”, a spus Yi. „Coliziunea creează o undă staționară care nu se mișcă. În cazul materialelor reticulate frustrate din punct de vedere geometric, funcțiile de undă electronică interferează în mod distructiv.

Cercetătorul postdoctoral de la Universitatea Rice, Jianwei Huang, a împărtășit un dispozitiv de laborator pe care l-a folosit pentru a efectua experimente specifice de spectroscopie de fotoemisie unghiulară pe un aliaj de cupru-vanadiu. Experimentele au arătat că aliajul este primul material cunoscut în care structura cristalină tridimensională și interacțiunile cuantice puternice frustrează mișcarea electronilor și îi mențin pe loc, rezultând o bară de electroni plată. Credit: Jeff Vitello/Universitatea Rice

Localizarea electronilor în metale și semi-metale produce domenii electronice plate, sau benzi plate. În ultimii ani, fizicienii au descoperit că aranjarea geometrică a atomilor din unele cristale 2D, cum ar fi rețelele lui Kagome, poate produce și panglici plate. Noul studiu oferă dovezi experimentale ale efectului în materia 3D.

Tehnici avansate și rezultate uimitoare

Folosind o tehnică experimentală numită spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție în unghi sau ARPES, Ye și autorul principal al studiului, Jianwei Huang, cercetător postdoctoral în laboratorul ei, au detaliat structura panglicii cupru-vanadiu-sulf și au descoperit că găzduiește o panglică plată care este unică. în mai multe feluri.

„Se pare că ambele tipuri de fizică sunt importante în acest material”, a spus Yee. „Aspectul de frustrare geometrică a fost acolo, așa cum a prezis teoria. Surpriza plăcută a fost că au existat și efecte de corelație care au produs banda plată la nivelul Fermi, unde ar putea fi implicată activ în determinarea proprietăților fizice.”

Jianwei Huang. Credit: Jeff Vitello/Universitatea Rice

Într-un solid, electronii ocupă stări cuantice împărțite în benzi. Aceste benzi electronice pot fi considerate ca trepte pe o scară, iar repulsia electrostatică limitează numărul de electroni care pot ocupa fiecare treaptă. Nivelul Fermi, o proprietate inerentă a materialelor și o proprietate critică pentru determinarea structurii benzii lor, se referă la nivelul de energie al celei mai înalte poziții ocupate de pe scară.

Perspective teoretice și direcții viitoare

Rice este un fizician teoretician și coautor al studiului Kimiao Si, al cărui grup de cercetare a identificat aliajul cupru-vanadiu și structura sa cristalină de piroclor ca o gazdă potențială pentru efectele de co-frustrare din geometrie și interacțiuni electronice puternice, a comparat descoperirea cu găsirea unui nou continent. .

„Este prima lucrare care demonstrează nu numai această colaborare între frustrarea inginerească și interacțiune, ci și următoarea etapă, care este ca electronii să se afle în același spațiu în vârful scării (de energie), unde există oportunitatea maximă de a reorganizați-le în faze noi”, a spus Si. Interesant și potențial eficient.”

El a spus că metodologia predictivă sau principiul de proiectare folosit de grupul său de cercetare în studiu poate fi, de asemenea, utilă teoreticienilor care studiază materialele cuantice cu alte structuri de rețea cristalină.

„Pyrochlor nu este singurul joc din oraș”, a spus See. „Acesta este un nou principiu de proiectare care permite teoreticienilor să identifice în mod predictiv materialele în care apar benzi plate din cauza corelațiilor electronice puternice”.

Există, de asemenea, o mare posibilitate de explorare experimentală ulterioară a cristalelor de piroclor, a spus Yi.

„Acesta este doar vârful aisbergului”, a adăugat ea. „Acesta este tridimensional, ceea ce este nou și, având în vedere numărul de rezultate uimitoare care au fost obținute în rețelele lui Kagome, îmi imaginez că ar putea exista descoperiri la fel sau poate chiar mai interesante care pot fi făcute în materiale piroclor”.

Referință: „Non-Fermi Fluid Behavior in a Flat-Scale Pyrochlore Lattice” de Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo și Makoto Hashimoto . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si și Ming Yi, 26 ianuarie 2024, Fizica naturii.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Echipa de cercetare a inclus 10 cercetători Rice din patru laboratoare. Grupul de cercetare al fizicianului Pingqing Dai a produs câteva mostre necesare pentru verificarea experimentală, iar grupul de cercetare al lui Boris Jakobsson din Departamentul de Știința Materialelor și Nanoinginerie a efectuat calcule preliminare care cuantifică efectele de bandă plată rezultate din frustrările geometrice. Experimentele ARPES au fost efectuate la Rice și la Laboratorul Național SLAC Sursa de lumină Sincrotron II din California și a doua Sursă Națională de Lumină Sincrotron la Brookhaven National Laboratory din New York, iar echipa a inclus colaboratori de la SLAC, Brookhaven și Brookhaven National Institute. Universitatea din Washington.

Cercetarea a folosit resurse susținute de un contract al Departamentului de Energie (DOE) cu SLAC (DE-AC02-76SF00515) și a fost susținută de granturi din partea Inițiativei Emerging Phenomena in Quantum Systems a Fundației Gordon și Betty Moore (GBMF9470) și Robert A. Fundația Welch. 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 ), Fundația Națională de Știință (2100741), Oficiul de Cercetare Navală (ONR) (N00014-22-1-2753) și Programul de bursă a facultății Vannevar Bush, administrat de ONR, al Departamentului de Apărare, Biroul de Cercetare de bază (ONR-VB). ) Nr. 00014-23-1 -2870).