Materialele cuantice dezvăluie fenomene ascunse într-un studiu inovator

Echipa internațională de cercetare – de la Institutul Paul Drude pentru Electronică Solid State (PDI), Germania; Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL); Universitatea de Stat din Pennsylvania; Universitatea din Pittsburgh; Institutul cuantic din Pittsburgh. Universitatea din Minnesota a spus că descoperirile lor vor duce la o reevaluare a teoriilor actuale despre efectele legăturilor electronice și vor arunca lumină asupra originii fenomenelor valoroase din aceste sisteme, inclusiv proprietățile magnetice, supraconductivitate la temperatură ridicată și proprietățile unice ale fenomene neobișnuite. Minerale transparente.

Oxid de perovskit SrVO₃ Este clasificată ca stare lichidă Fermi, o stare care descrie un sistem de electroni care interacționează într-un metal la temperaturi suficient de scăzute. În metalele convenționale, electronii care conduc electricitatea se mișcă independent și sunt denumiți în mod obișnuit ca un gaz Fermi. În schimb, lichidele Fermi prezintă interacțiuni reciproce semnificative între electroni, ceea ce înseamnă că mișcarea unui electron îi afectează puternic pe ceilalți. Acest comportament colectiv poate duce la proprietăți electronice unice cu aplicații tehnologice profunde, oferind o perspectivă asupra interacțiunilor dintre electroni din metalele legate. Servo₃ Acesta servește ca un sistem model ideal pentru studierea fenomenelor de legare electronică datorită simplității sale cristaline și electronice. Această simplitate este crucială pentru înțelegerea fenomenelor complexe, cum ar fi ordinea magnetică sau supraconductivitatea, care pot complica studiile teoretice și experimentale.

Un alt factor critic în înțelegerea rezultatelor experimentale care ghidează modelele teoretice ale efectelor corelației electronilor este prezența sau absența defectelor în materialul însuși. Dr. Roman Engel-Herbert, lider de studiu și director al Institutului PDI din Berlin, a declarat: „Dacă doriți să ajungeți la miezul unuia dintre cele mai bine păstrate secrete din fizica materiei condensate, trebuie să îl studiați în forma sa cea mai pură; Imperfecțiunile sunt aproape obligatorii.

Obțineți o probă fără defecte de SrVO₃ A fost o provocare de netrecut până acum. Folosind o tehnică inovatoare de creștere a filmului subțire care combină avantajele spectroscopiei cu fascicul molecular și depunerii chimice de vapori, echipa a atins un nivel fără precedent de puritate a materialului. Dr. Matt Bralick, primul autor al studiului publicat astăzi, definește îmbunătățirea: „O măsură simplă a purității unui material este raportul dintre cât de ușor curge electricitatea la temperatura camerei în comparație cu temperatura scăzută, numit raportul rezistenței reziduale și valoarea RRR. Dacă metalul are multe defecte, iar valorile RRR sunt mici, de obicei, în jur de 2-5₃ Filmele cu RRR sunt de aproximativ 100 de ori mai mari, deschizând ușa pentru a studia adevăratele proprietăți ale SrVO legat de metal.₃. În special, calitatea înaltă a materialelor a permis accesul pentru prima dată la un regim special în câmpuri magnetice mari, unde s-au găsit surprize.

Echipa multidisciplinară de oameni de știință a fost surprinsă să descopere o serie de fenomene de transport ciudate care au fost în contrast puternic cu proprietățile de transport măsurate anterior pe mostre foarte defecte. Descoperirile lor contestă consensul științific de lungă durată cu privire la SrVO₃ Ca un simplu lichid Fermi.

„Această situație a fost foarte incitantă, dar și derutantă”, explică Engel-Herbert, „În timp ce am reprodus comportamentul de transport raportat anterior al SrVO₃ „În probele noastre foarte defecte, măsurătorile identice au fost diferite în probele ultra-curate cu valori RRR ridicate.” Rezultatele de la probele defecte au permis o interpretare directă a rezultatelor care sunt în concordanță cu așteptările teoretice. Aceste rezultate au fost folosite ca dovezi experimentale că înțelegerea teoretică a surprins corect efectele corelației electronice în SrVO₃. Cu toate acestea, echipa a descoperit că măsurătorile pe probe ultra-curate nu pot fi interpretate atât de ușor.

„Observația notabilă este așteptarea că numărul de electroni purtători de electricitate din metal este independent de temperatură și câmp magnetic. Acest lucru este, desigur, adevărat, dar interpretarea mărimii măsurate nu este o măsură directă a mărimii măsurate.” a adăugat Bralic. În schimb, această cantitate este amestecată cu alte aspecte ale proprietăților materialului, cum ar fi modul în care defectele și temperatura afectează fluxul de electricitate. „A trebuit să ne adâncim în fizică pentru a înțelege ceea ce am văzut ca fiind atât de important și de interesant”.

Cercetătorii cred că descoperirea lor ar putea servi drept bază pentru îmbunătățirea modelelor teoretice și reconsiderarea promptă a opiniilor și interpretărilor de mult stabilite ale materialelor care prezintă o corelație electronică ridicată.

„Misiunea noastră ca fizicieni experimentali este să depășim limitele înțelegerii actuale a naturii”, spune Engel-Herbert, „Aici se pot face descoperiri, în care progresăm știința, este esențial să ne îmbunătățim obiectul nostru de studiu, provocându-ne să depășim limitele stăpânirii materialelor.” Acest lucru ar putea oferi noi perspective asupra comportamentului real al acestei clase de materiale și ar permite o interpretare cuprinzătoare a fenomenelor care au fost măsurate și observate de experți să facă acest lucru Deși sarcina nu este încă finalizată, rezultatele noastre reprezintă o oportunitate pentru comunitate de a-și recalibra teoriile;

Echipa de cercetare a inclus liderul studiului Roman Engel-Herbert, care a conceput și proiectat experimentul cu PI Matthew Brahlek (acum la Laboratorul Național Oak Ridge), care a efectuat măsurătorile și modelarea creșterii și transportului magnetic; Li Chang și Joseph D. au ajutat. Roth și Jason Labano (Pennsylvania State University) au contribuit la creștere și caracterizare, Turan Birol (Universitatea din Minnesota) a oferit suport teoretic, iar Megan Bregman, Patrick Irvin și Jeremy Levy de la Universitatea din Pittsburgh au confirmat și validat măsurătorile de transport magnetic pentru campuri magnetice. Studiul a fost susținut de Departamentul de Energie al SUA și de Fundația Națională pentru Știință.