Vědci objevili zvláštní látku, kde elektrony stojí na místě

Nový výzkum ověřuje metodu pro řízenou detekci plošných 3D materiálů.

Vědci z Rice University objevili první materiál svého druhu: 3D krystalický kov, ve kterém se kvantové korelace a geometrie krystalové struktury spojují, aby zmařily pohyb elektronů a udržely je na místě.

Objev byl podrobně popsán ve studii publikované v Fyzika přírody. Článek také popisuje teoretický princip návrhu a experimentální metodologii, které vedly výzkumný tým k materiálu. Jeden díl mědi, dva díly vanadu a čtyři díly síry Slitina Vyznačuje se 3D pyrochlorovou mřížkou sestávající z čtyřstěnů, které sdílejí rohy.

Kvantové provázání a lokalizace elektronů

„Hledáme materiály, které mají potenciálně nové stavy hmoty nebo nové exotické rysy, které nebyly objeveny,“ řekl spoluautor studie Ming Yi, experimentální fyzik z Rice.

Kvantové materiály mají potenciál být místem pro výzkum, zvláště pokud obsahují silné elektronické interakce, které vedou ke kvantovému provázání. Zapletení vede k podivnému elektronickému chování, včetně inhibice pohybu elektronů do bodu, kdy se zafixují na místě.

„Tento efekt kvantové interference je jako vlny, které se vlní po hladině rybníka a setkávají se čelně,“ řekl Yi. „Srážka vytváří stojatou vlnu, která se nepohybuje. V případě geometricky frustrovaných mřížkových materiálů jsou to elektronické vlnové funkce, které destruktivně ruší.“

Postdoktorandský výzkumník Jianwei Huang z Rice University sdílel laboratorní zařízení, které používal k provádění specifických experimentů úhlové fotoemisní spektroskopie na slitině mědi a vanadu. Experimenty ukázaly, že slitina je prvním známým materiálem, ve kterém trojrozměrná krystalová struktura a silné kvantové interakce maří pohyb elektronů a drží je na místě, což vede k ploché elektronové tyči. Kredit: Jeff Vitello/Rice University

Lokalizace elektronů v kovech a polokovech vytváří ploché elektronické domény nebo ploché pásy. V posledních letech fyzici zjistili, že geometrické uspořádání atomů v některých 2D krystalech, jako jsou Kagomeovy mřížky, může také vytvářet ploché stuhy. Nová studie poskytuje experimentální důkazy o efektu ve 3D hmotě.

Pokročilé techniky a úžasné výsledky

Pomocí experimentální techniky zvané úhlově rozlišená fotoemisní spektroskopie nebo ARPES Ye a hlavní autorka studie Jianwei Huang, postdoktorandka ve své laboratoři, podrobně popsali strukturu měděno-vanadovo-sírové pásky a zjistili, že obsahuje plochý pásek, který je jedinečný. několika způsoby.

„Ukazuje se, že oba typy fyziky jsou v tomto materiálu důležité,“ řekl Yee. „Aspekt geometrické frustrace tam byl, jak teorie předpovídala. Příjemným překvapením bylo, že existovaly také korelační efekty, které vytvořily plochý pás na Fermiho úrovni, kde se mohl aktivně podílet na určování fyzikálních vlastností.“

Jianwei Huang. Kredit: Jeff Vitello/Rice University

V pevné látce zaujímají elektrony kvantové stavy rozdělené do pásem. Tato elektronická pásma lze považovat za příčky na žebříku a elektrostatické odpuzování omezuje počet elektronů, které mohou obsadit každou příčku. Fermiho hladina, inherentní vlastnost materiálů a kritická vlastnost pro určení jejich pásmové struktury, se vztahuje k energetické hladině nejvyšší obsazené pozice na žebříku.

Teoretické poznatky a budoucí směry

Rice je teoretický fyzik a spoluautor studie Kimiao Si, jehož výzkumná skupina identifikovala slitinu mědi a vanadu a její pyrochlorovou krystalovou strukturu jako potenciálního hostitele pro ko-frustrační efekty z geometrie a silných elektronických interakcí, přirovnal objev k nalezení nového kontinent. .

„Je to první dílo, které demonstruje nejen tuto spolupráci mezi inženýrskou frustrací a interakcí, ale také další fázi, kterou je dostat elektrony do stejného prostoru na vrcholu (energetického) žebříčku, kde je maximální příležitost reorganizovat je do nových fází.“ řekl Si. Zajímavé a potenciálně efektivní.“

Řekl, že prediktivní metodologie nebo princip designu, který jeho výzkumná skupina použila ve studii, může být také užitečná pro teoretiky studující kvantové materiály s jinými strukturami krystalové mřížky.

„Pyrochlor není jediná hra ve městě,“ řekl See. „Jedná se o nový princip designu, který umožňuje teoretikům prediktivně identifikovat materiály, ve kterých ploché pásy vznikají díky silným elektronickým korelacím.“

Existuje také velký prostor pro další experimentální průzkum pyrochlorových krystalů, řekl Yi.

„Toto je jen špička ledovce,“ dodala. „Toto je trojrozměrné, což je nové, a vzhledem k množství úžasných výsledků, které byly učiněny v sítích Kagome, si myslím, že by mohly existovat stejně nebo možná ještě více vzrušující objevy, které lze udělat v pyrochlorových materiálech.“

Reference: „Chování nefermiho tekutiny v ploché pyrochlorové mřížce“ od Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo a Makoto Hashimo . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si a Ming Yi, 26. ledna 2024, Fyzika přírody.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Výzkumný tým zahrnoval 10 výzkumníků Rice ze čtyř laboratoří. Výzkumná skupina fyzika Pingqing Dai vyrobila několik vzorků potřebných pro experimentální ověření a výzkumná skupina Borise Jakobssona na katedře materiálových věd a nanoinženýrství provedla předběžné výpočty, které kvantifikují ploché efekty vyplývající z geometrické frustrace. Experimenty ARPES byly prováděny v Rice a v SLAC National Laboratory v Synchrotron Light Source II v Kalifornii a Second National Synchrotron Light Source v Brookhaven National Laboratory v New Yorku a tým zahrnoval spolupracovníky ze SLAC, Brookhaven a Brookhaven National Institute. University of Washington.

Výzkum využíval zdroje podporované smlouvou ministerstva energetiky (DOE) se SLAC (DE-AC02-76SF00515) a byl podpořen granty iniciativy Emerging Phenomena in Quantum Systems nadace Gordon a Betty Moore Foundation (GBMF9470) a Robert A. Welchova nadace. 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 ), National Science Foundation (2100741), Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) a ONR spravovaný Vannevar Bush Faculty Fellows Program of Department of Defense Office of Basic Research (ONR-VB ) č. 00014-23-1 -2870).