Учените са открили странно вещество, в което електроните стоят неподвижни

Изследователи от университета Райс откриха нов 3D кристален минерал, който улавя електрони на място поради уникалното взаимодействие между квантовите корелации и геометричната структура на материала. Това откритие подчертава ролята на плоските електронни ленти при определяне на свойствата на материала и проправя пътя за по-нататъшни изследвания на квантовите материали с пирохлорни решетъчни структури. Кредит: SciTechDaily.com

Ново изследване потвърждава метод за насочвано откриване на плоски 3D материали.

Учени от университета Райс откриха първи по рода си материал: 3D кристален метал, в който квантовите корелации и геометрията на кристалната структура се комбинират, за да осуетят движението на електроните и да ги задържат на място.

Откритието е подробно описано в проучване, публикувано в Природна физика. Документът също така описва принципа на теоретичния дизайн и експерименталната методология, които са насочили изследователския екип към материала. Една част мед, две части ванадий и четири части сяра Сплав Той разполага с 3D решетка от пирохлор, състояща се от тетраедри, които имат общи ъгли.

Квантово заплитане и локализация на електрони

„Ние търсим материали, които потенциално имат нови състояния на материята или нови екзотични характеристики, които не са били открити“, каза съавторът на изследването Минг И, експериментален физик в Райс.

Квантовите материали имат потенциала да бъдат място за изследване, особено ако съдържат силни електронни взаимодействия, които водят до квантово заплитане. Заплитането води до странно електронно поведение, включително възпрепятстване на движението на електрони до точката, в която те се фиксират на място.

„Този ​​квантов ефект на интерференция е като вълни, които се вълнуват по повърхността на езеро и се срещат челно“, каза Йи. „Сблъсъкът създава стояща вълна, която не се движи. В случай на геометрично разстроени решетъчни материали, електронните вълнови функции са тези, които се намесват разрушително.

Постдокторантът от университета Райс Jianwei Huang сподели лабораторно устройство, което е използвал за извършване на специфични експерименти с ъглова фотоемисионна спектроскопия върху медно-ванадиева сплав. Експериментите показаха, че сплавта е първият известен материал, в който триизмерната кристална структура и силните квантови взаимодействия осуетяват движението на електроните и ги задържат на място, което води до плоска електронна лента. Кредит: Джеф Витело/Университет Райс

Електронната локализация в металите и полуметалите създава плоски електронни домени или плоски ленти. През последните години физиците откриха, че геометричното разположение на атомите в някои 2D кристали, като решетките на Кагоме, също може да произведе плоски ленти. Новото изследване предоставя експериментални доказателства за ефекта в 3D материята.

Усъвършенствани техники и невероятни резултати

Използвайки експериментална техника, наречена фотоемисионна спектроскопия с ъглова резолюция, или ARPES, Ye и водещият автор на изследването Jianwei Huang, постдокторант в нейната лаборатория, детайлизират структурата на лентата мед-ванадий-сяра и откриват, че тя съдържа плоска лента, която е уникална по няколко начина.

„Оказва се, че и двата вида физика са важни в този материал“, каза Ий. „Аспектът на геометричната фрустрация беше налице, както прогнозира теорията. Приятната изненада беше, че имаше и корелационни ефекти, които произведоха плоската лента на нивото на Ферми, където можеше да участва активно в определянето на физическите свойства.“

Дзянвей Хуанг. Кредит: Джеф Витело/Университет Райс

В твърдото тяло електроните заемат квантови състояния, разделени на ленти. Тези електронни ленти могат да се разглеждат като стъпала на стълба, а електростатичното отблъскване ограничава броя на електроните, които могат да заемат всяко стъпало. Нивото на Ферми, присъщо свойство на материалите и критично свойство за определяне на тяхната лентова структура, се отнася до енергийното ниво на най-високата заета позиция на стълбата.

Теоретични прозрения и бъдещи насоки

Райс е теоретичен физик и съавтор на изследването Кимиао Си, чиято изследователска група идентифицира медно-ванадиевата сплав и нейната пирохлорна кристална структура като потенциален гостоприемник за ко-фрустрационни ефекти от геометрията и силните електронни взаимодействия, оприличи откритието на намирането на нов континент. .

„Това е първата работа, която демонстрира не само това сътрудничество между инженерната фрустрация и взаимодействието, но също и следващия етап, който кара електроните да бъдат в едно и също пространство на върха на (енергийната) стълба, където има максимална възможност да ги реорганизираме в нови фази“, каза Сай. Интересно и потенциално ефективно.“

Той каза, че методологията за прогнозиране или принципът на проектиране, използван от неговата изследователска група в изследването, може също да бъде полезен за теоретиците, изучаващи квантовите материали с други структури на кристална решетка.

„Пирохлорът не е единствената игра в града“, каза Си. „Това е нов принцип на проектиране, който позволява на теоретиците предсказуемо да идентифицират материали, в които възникват плоски ленти поради силни електронни корелации.“

Има също голямо поле за по-нататъшно експериментално изследване на пирохлорните кристали, каза Йи.

„Това е само върхът на айсберга“, добави тя. „Това е триизмерно, което е ново, и предвид броя на невероятните резултати, които са направени в мрежите на Kagome, предполагам, че може да има също толкова или може би дори по-вълнуващи открития, които могат да бъдат направени в пирохлорните материали.“

Справка: „Поведение на нефермиев флуид в пирохлорна решетка с плосък мащаб“ от Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, Донгвей Лу, Борис I. Джейкъбсън, Пинчен Дай, Джун-Хао Джоу, Кимиао Си и Минг И, 26 януари 2024 г., Природна физика.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Изследователският екип включва 10 изследователи на Райс от четири лаборатории. Изследователската група на физика Pingqing Dai произведе няколко проби, необходими за експериментална проверка, а изследователската група на Boris Jakobsson в отдела по материалознание и наноинженерство извърши предварителни изчисления, които количествено определят ефектите на плоските ленти в резултат на геометрична неудовлетвореност. Експериментите ARPES бяха проведени в Райс и в източника на синхротронна светлина II на Националната лаборатория SLAC в Калифорния и втория национален източник на синхротронна светлина в Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк, а екипът включваше сътрудници от SLAC, Брукхейвън и Националния институт Брукхейвън. Университет на Вашингтон.

Изследването използва ресурси, подкрепени от договор на Министерството на енергетиката (DOE) със SLAC (DE-AC02-76SF00515) и беше подкрепено от безвъзмездни средства от Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative на Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) и Robert A Фондация Уелч. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Служба за основни енергийни науки на DOE (DE-SC0018197), Служба за научни изследвания на ВВС (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Националната научна фондация (2100741), Службата за военноморски изследвания (ONR) (N00014-22-1-2753) и администрираната от ONR стипендиантска програма Vannevar Bush на Службата за фундаментални изследвания на Министерството на отбраната (ONR-VB ) № 00014-23-1 -2870).