Bilim adamları elektronların hareketsiz durduğu garip bir madde keşfettiler

Yeni araştırma, düz ölçekli 3 boyutlu malzemelerin rehberli tespiti için bir yöntemi doğruluyor.

Rice Üniversitesi'ndeki bilim adamları türünün ilk örneği olan bir malzeme keşfettiler: kuantum korelasyonlarının ve kristal yapının geometrisinin elektronların hareketini engellemek ve onları yerinde tutmak için birleştiği 3 boyutlu kristal bir metal.

Keşif, yayınlanan bir çalışmada ayrıntılı olarak açıklandı. Doğa fiziği. Makale ayrıca araştırma ekibini materyale yönlendiren teorik tasarım ilkesini ve deneysel metodolojiyi de açıklamaktadır. Bir kısım bakır, iki kısım vanadyum ve dört kısım kükürt Alaşım Köşeleri paylaşan tetrahedronlardan oluşan 3 boyutlu bir piroklor kafesine sahiptir.

Kuantum dolaşıklığı ve elektron lokalizasyonu

Rice'ta deneysel fizikçi olan çalışmanın ortak yazarı Ming Yi, “Potansiyel olarak maddenin yeni hallerine veya keşfedilmemiş yeni egzotik özelliklere sahip malzemeler arıyoruz” dedi.

Kuantum malzemeleri, özellikle kuantum dolanıklığa yol açan güçlü elektronik etkileşimler içeriyorsa, araştırma alanı olma potansiyeline sahiptir. Dolaşma, elektronların yerinde sabitlendikleri noktaya kadar hareketinin engellenmesi de dahil olmak üzere garip elektronik davranışlara yol açar.

Yi, “Bu kuantum girişim etkisi, bir göletin yüzeyinde dalgalanan ve kafa kafaya buluşan dalgalara benziyor” dedi. “Çarpışma, hareket etmeyen bir duran dalga yaratıyor. Geometrik olarak engellenmiş kafes malzemeleri durumunda, yıkıcı bir şekilde müdahale eden elektronik dalga fonksiyonlarıdır.

Rice Üniversitesi doktora sonrası araştırmacısı Jianwei Huang, bakır-vanadyum alaşımı üzerinde belirli açılı fotoemisyon spektroskopi deneyleri gerçekleştirmek için kullandığı bir laboratuvar cihazını paylaştı. Deneyler, alaşımın, üç boyutlu kristal yapının ve güçlü kuantum etkileşimlerinin elektronların hareketini engellediği ve onları yerinde tutarak düz bir elektron çubuğuna neden olduğu bilinen ilk malzeme olduğunu gösterdi. Kredi bilgileri: Jeff Vitello/Rice Üniversitesi

Metallerde ve yarı metallerde elektron lokalizasyonu düz elektronik alanlar veya düz bantlar üretir. Son yıllarda fizikçiler, Kagome kafesleri gibi bazı 2 boyutlu kristallerdeki atomların geometrik düzeninin de düz şeritler üretebileceğini keşfettiler. Yeni çalışma, 3 boyutlu maddedeki etkinin deneysel kanıtını sağlıyor.

Gelişmiş teknikler ve muhteşem sonuçlar

Açı çözümlü fotoemisyon spektroskopisi veya ARPES adı verilen deneysel bir teknik kullanan Ye ve çalışmanın baş yazarı, laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Jianwei Huang, bakır-vanadyum-kükürt şerit yapısını detaylandırdı ve bunun benzersiz bir düz şerit barındırdığını buldu. çeşitli yollarla.

Yee, “Bu materyalde her iki fizik türünün de önemli olduğu ortaya çıktı” dedi. “Teorinin öngördüğü gibi geometrik hayal kırıklığı yönü mevcuttu. Hoş bir sürpriz, fiziksel özelliklerin belirlenmesinde aktif olarak yer alabileceği Fermi seviyesinde düz bant üreten korelasyon etkilerinin de olmasıydı.”

Jianwei Huang. Kredi bilgileri: Jeff Vitello/Rice Üniversitesi

Bir katıda elektronlar bantlara bölünmüş kuantum durumlarını işgal eder. Bu elektronik bantlar bir merdivenin basamakları gibi düşünülebilir ve elektrostatik itme, her basamağı işgal edebilecek elektron sayısını sınırlar. Malzemelerin doğal bir özelliği olan ve bant yapılarını belirlemek için kritik bir özellik olan Fermi seviyesi, merdiven üzerinde işgal edilen en yüksek konumun enerji seviyesini ifade eder.

Teorik görüşler ve geleceğe yönelik yönler

Rice teorik fizikçi ve çalışmanın ortak yazarı olan Kimiao Si'nin araştırma grubu bakır-vanadyum alaşımını ve onun piroklorin kristal yapısını geometriden ve güçlü elektronik etkileşimlerden kaynaklanan kombine hayal kırıklığı etkileri için potansiyel bir konakçı olarak tanımladı ve bu keşfi şuna benzetti: yeni bir kıta. .

“Bu sadece mühendislik hayal kırıklığı ve etkileşim arasındaki işbirliğini değil aynı zamanda elektronların (enerji) merdiveninin tepesinde aynı alanda olmasını sağlayan bir sonraki aşamayı da gösteren ilk çalışmadır; burada maksimum fırsat vardır. bunları yeni aşamalara göre yeniden düzenleyin” dedi Si. İlginç ve potansiyel olarak etkili.”

Araştırma grubunun çalışmada kullandığı öngörücü metodolojinin veya tasarım ilkesinin, diğer kristal kafes yapılarıyla kuantum malzemeleri üzerinde çalışan teorisyenler için de yararlı olabileceğini söyledi.

See, “Pyrochlor şehirdeki tek oyun değil” dedi. “Bu, teorisyenlerin güçlü elektronik korelasyonlar nedeniyle düz bantların ortaya çıktığı malzemeleri öngörerek tanımlamalarına olanak tanıyan yeni bir tasarım ilkesidir.”

Yi, piroklor kristallerinin daha fazla deneysel araştırılması için de büyük bir kapsam bulunduğunu söyledi.

“Bu buzdağının sadece görünen kısmı” diye ekledi. “Bu üç boyutlu ve yeni bir şey ve Kagome'un ağlarında elde edilen şaşırtıcı sonuçların sayısı göz önüne alındığında, piroklor malzemelerde eşit derecede veya belki de daha heyecan verici keşiflerin yapılabileceğini hayal ediyorum.”

Referans: Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yılmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, “Düz Ölçekli Piroklor Kafeste Fermi Olmayan Akışkan Davranışı”, Dongwei Lou, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si ve Ming Yi, 26 Ocak 2024, Doğa fiziği.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Araştırma ekibinde dört laboratuvardan 10 Rice araştırmacısı vardı. Fizikçi Pingqing Dai'nin araştırma grubu, deneysel doğrulama için gereken birkaç örnek üretti ve Boris Jakobsson'un Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Bölümü'ndeki araştırma grubu, geometrik bozulmadan kaynaklanan düz bant etkilerini ölçen ön hesaplamalar yaptı. ARPES deneyleri Rice'ta ve Kaliforniya'daki SLAC Ulusal Laboratuvarı'nın Sinkrotron Işık Kaynağı II'sinde ve New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki İkinci Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı'nda gerçekleştirildi ve ekipte SLAC, Brookhaven ve Brookhaven Ulusal Enstitüsü'nden işbirlikçileri yer aldı. Washington Üniversitesi.

Araştırma, Enerji Bakanlığı'nın (DOE) SLAC (DE-AC02-76SF00515) ile yaptığı sözleşmeyle desteklenen kaynakları kullanmış ve Gordon ve Betty Moore Vakfı'nın (GBMF9470) Kuantum Sistemlerinde Yükselen Olaylar Girişimi ve Robert A. Welch Vakfı. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Temel Enerji Bilimleri Ofisi (DE-SC0018197), Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Ulusal Bilim Vakfı (2100741), Deniz Araştırmaları Ofisi (ONR) (N00014-22-1-2753) ve Savunma Bakanlığı Temel Araştırma Ofisi (ONR-VB) ONR tarafından yönetilen Vannevar Bush Öğretim Üyeleri Programı ) No. 00014-23-1-2870).