Научници су открили чудну супстанцу где електрони мирују

Ново истраживање потврђује методу за вођену детекцију 3Д материјала у равним размерама.

Научници са Универзитета Рајс открили су први материјал ове врсте: 3Д кристални метал у коме се квантне корелације и геометрија кристалне структуре комбинују како би спречили кретање електрона и задржали их на месту.

Откриће је детаљно описано у студији објављеној у Природна физика. У раду се такође описује теоријски принцип пројектовања и експериментална методологија која је водила истраживачки тим до материјала. Један део бакра, два дела ванадијума и четири дела сумпора легура Поседује 3Д пирохлорну решетку која се састоји од тетраедара који деле углове.

Квантна запетљаност и локализација електрона

„Тражимо материјале који потенцијално имају нова стања материје или нове егзотичне карактеристике које нису откривене“, рекао је коаутор студије Минг Ји, експериментални физичар у Рајсу.

Квантни материјали имају потенцијал да буду место за истраживање, посебно ако садрже снажне електронске интеракције које доводе до квантног заплета. Заплитање доводи до чудног електронског понашања, укључујући инхибицију кретања електрона до тачке у којој они постају фиксирани на месту.

„Овај ефекат квантне интерференције је попут таласа који се таласају по површини језера и сусрећу се директно“, рекао је Ји. „Судар ствара стојећи талас који се не помера. У случају геометријски фрустрираних материјала решетке, електронске таласне функције су те које деструктивно интерферирају.“

Постдокторски истраживач Универзитета Рајс Јианвеи Хуанг поделио је лабораторијски уређај који је користио за извођење експеримената фотоемисионе спектроскопије са специфичним углом на легури бакра и ванадијума. Експерименти су показали да је легура први познати материјал у коме тродимензионална кристална структура и јаке квантне интеракције фрустрирају кретање електрона и држе их на месту, што резултира равном електронском шипком. Заслуге: Џеф Витело / Универзитет Рајс

Локализација електрона у металима и полуметалима производи равне електронске домене, или равне траке. Последњих година, физичари су открили да геометријски распоред атома у неким 2Д кристалима, као што су Кагомеове решетке, такође може да произведе равне траке. Нова студија пружа експерименталне доказе о ефекту у 3Д материји.

Напредне технике и невероватни резултати

Користећи експерименталну технику под називом фотоемисиона спектроскопија са углом или АРПЕС, Ие и водећи аутор студије Јианвеи Хуанг, постдокторски истраживач у њеној лабораторији, детаљно су описали структуру траке бакар-ванадијум-сумпор и открили да она садржи равну траку која је јединствена на више начина.

„Испоставило се да су обе врсте физике важне у овом материјалу“, рекао је Иее. „Геометријски аспект фрустрације је постојао, као што је теорија предвидела. Пријатно изненађење је било то што су постојали и ефекти корелације који су произвели раван појас на Фермијевом нивоу, где је могао да буде активно укључен у одређивање физичких својстава.“

Јианвеи Хуанг. Заслуге: Џеф Витело / Универзитет Рајс

У чврстом стању, електрони заузимају квантна стања подељена у траке. Ове електронске траке се могу сматрати пречкама на мердевинама, а електростатичко одбијање ограничава број електрона који могу заузети сваку пречку. Фермијев ниво, инхерентно својство материјала и критично својство за одређивање њихове тракасте структуре, односи се на енергетски ниво највише заузете позиције на лествици.

Теоријски увиди и будући правци

Рајс је теоријски физичар и коаутор студије, Кимиао Си, чија је истраживачка група идентификовала легуру бакра и ванадијума и њену кристалну структуру пирохлор као потенцијалног домаћина комбинованих ефеката фрустрације из геометрије и јаких електронских интеракција, упоредила је откриће са открићем нови континент. .

„То је први рад који показује не само ову сарадњу између инжењерске фрустрације и интеракције, већ и следећу фазу, која доводи до тога да електрони буду у истом простору на врху (енергетске) лествице, где постоји максимална могућност да се реорганизовати их у нове фазе“, рекао је Си. Занимљиво и потенцијално ефикасно.“

Рекао је да предиктивна методологија или принцип дизајна које је његова истраживачка група користила у студији могу такође бити корисни теоретичарима који проучавају квантне материјале са другим структурама кристалне решетке.

„Пироклор није једина игра у граду“, рекао је Сее. „Ово је нови принцип дизајна који омогућава теоретичарима да предиктивно идентификују материјале у којима настају равне траке због јаких електронских корелација.“

Такође постоји велики простор за даље експериментално истраживање пирохлорних кристала, рекао је Ји.

„Ово је само врх леденог брега“, додала је она. „Ово је тродимензионално, што је ново, а с обзиром на број невероватних резултата који су направљени у Кагомеовим мрежама, претпостављам да би могло бити једнако или можда чак и узбудљивијих открића која се могу направити у пирохлорним материјалима.“

Референца: „Понашање неферми флуида у пирохлорној решетки равног размера“ од Јианвеи Хуанг, Ли Цхен, Иуфеи Хуанг, Цхандан Сети, Бин Гао, Иуе Схи, Ксиаоиу Лиу, Иицхен Зханг, Тургут Иилмаз, Елио Хасхи Весцово, Макото Донгвеи Лу, Борис И. Јацобсон, Пингцхенг Даи, Јун-Хао Зхоу, Кимиао Си и Минг Ии, 26. јануар 2024. Природна физика.
дои: 10.1038/с41567-023-02362-3

Истраживачки тим је укључивао 10 истраживача риже из четири лабораторије. Истраживачка група физичара Пингкинга Даија произвела је неколико узорака потребних за експерименталну верификацију, а истраживачка група Бориса Јакобсона у Одељењу за науку о материјалима и наноинжењерингу извршила је прелиминарне прорачуне који квантификују ефекте равног појаса који су резултат геометријске фрустрације. АРПЕС експерименти су спроведени у Рајсу и Синхротронском извору светлости ИИ Националне лабораторије СЛАЦ у Калифорнији и Другом националном извору синхротронске светлости у Националној лабораторији Брукхејвен у Њујорку, а тим је укључивао сараднике из СЛАЦ-а, Брукхејвена и Националног института Брукхејвен. Универзитет у Вашингтону.

Истраживање је користило ресурсе подржане уговором Министарства енергетике (ДОЕ) са СЛАЦ-ом (ДЕ-АЦ02-76СФ00515) и подржано је грантовима Иницијативе за појаву феномена у квантним системима Фондације Гордон и Бети Мур (ГБМФ9470) и Роберт А. Велцх Фоундатион. Ентерприсе (Ц-2175, Ц-1411, Ц-1839), ДОЕ Канцеларија за основне енергетске науке (ДЕ-СЦ0018197), Канцеларија за научна истраживања ваздухопловства (ФА9550-21-1-0343, ФА9550-21-1-) 0356 ), Национална научна фондација (2100741), Канцеларија за поморска истраживања (ОНР) (Н00014-22-1-2753) и Програм стипендиста факултета Ванневар Бусх којим управља ОНР Канцеларије за основна истраживања Министарства одбране (ОНР-ВБ ) број 00014-23-1-2870).