Вчені виявили дивну речовину, в якій електрони стоять на місці

Нове дослідження підтверджує метод керованого виявлення плоских 3D-матеріалів.

Вчені з Університету Райса виявили перший у своєму роді матеріал: тривимірний кристалічний метал, у якому квантові кореляції та геометрія кристалічної структури поєднуються, щоб перешкоджати руху електронів і утримувати їх на місці.

Відкриття було детально описано в дослідженні, опублікованому в Фізика природи. У документі також описується теоретичний принцип дизайну та експериментальна методологія, якими керувалася дослідницька група до матеріалу. Одна частина міді, дві частини ванадію і чотири частини сірки сплав Він має тривимірну решітку пірохлору, що складається з тетраедрів, які мають спільні кути.

Квантова заплутаність і локалізація електронів

«Ми шукаємо матеріали, які потенційно мають нові стани матерії або нові екзотичні особливості, які ще не були виявлені», — сказав співавтор дослідження Мін І, фізик-експериментатор з Rice.

Квантові матеріали можуть стати місцем для дослідження, особливо якщо вони містять сильні електронні взаємодії, які призводять до квантової заплутаності. Заплутаність призводить до дивної поведінки електронів, у тому числі гальмування руху електронів до точки, коли вони закріплюються на місці.

«Цей ефект квантової інтерференції схожий на хвилі, що брижуть по поверхні ставка та стикаються лоб у лоб», — сказав Ї. “Зіткнення створює стоячу хвилю, яка не рухається. У випадку геометрично розбитих решіток, це електронні хвильові функції, які руйнівно втручаються.

Докторант Університету Райса Цзяньвей Хуанг поділився лабораторним пристроєм, який він використовував для проведення специфічних експериментів кутової фотоемісійної спектроскопії на мідно-ванадієвому сплаві. Експерименти показали, що сплав є першим відомим матеріалом, у якому тривимірна кристалічна структура та сильні квантові взаємодії перешкоджають руху електронів і утримують їх на місці, в результаті чого утворюється плоска електронна смуга. Авторство: Джефф Вітелло/Університет Райса

Локалізація електронів у металах і напівметалах створює плоскі електронні домени, або плоскі зони. В останні роки фізики виявили, що геометричне розташування атомів у деяких двовимірних кристалах, таких як решітки Кагоме, також може створювати плоскі стрічки. Нове дослідження надає експериментальні докази ефекту в 3D-матерії.

Сучасні технології та неймовірні результати

Використовуючи експериментальну техніку під назвою фотоемісійна спектроскопія з кутовою роздільною здатністю, або ARPES, Є та провідний автор дослідження Цзяньвей Хуан, докторант у її лабораторії, детально описали структуру мідно-ванадієво-сірчаної стрічки та виявили, що вона містить унікальну плоску стрічку. кількома способами.

«Виявилося, що обидва типи фізики важливі в цьому матеріалі», — сказав Йі. “Аспект геометричної фрустрації був присутній, як і передбачала теорія. Приємним сюрпризом було те, що були також кореляційні ефекти, які створювали плоску смугу на рівні Фермі, де вона могла брати активну участь у визначенні фізичних властивостей”.

Цзяньвей Хуан. Авторство: Джефф Вітелло/Університет Райса

У твердому тілі електрони займають квантові стани, розділені на зони. Ці електронні смуги можна розглядати як сходинки на сходах, а електростатичне відштовхування обмежує кількість електронів, які можуть зайняти кожну сходинку. Рівень Фермі, невід'ємна властивість матеріалів і критична властивість для визначення їхньої зонної структури, відноситься до енергетичного рівня найвищої зайнятої позиції на сходах.

Теоретичні ідеї та майбутні напрямки

Райс, фізик-теоретик і співавтор дослідження, Кіміао Сі, чия дослідницька група визначила мідно-ванадієвий сплав і його кристалічну структуру пірохлору як потенційний хост для комбінованих ефектів фрустрації від геометрії та сильних електронних взаємодій, порівнявши відкриття з знахідкою новий континент. .

«Це перша робота, яка демонструє не тільки цю співпрацю між інженерним розчаруванням і взаємодією, але й наступний етап, який полягає в тому, щоб електрони перебували в одному просторі на вершині (енергетичних) сходів, де є максимальна можливість реорганізуйте їх у нові фази”, – сказав Сі. Цікаво та потенційно ефективно”.

Він сказав, що методологія прогнозування або принцип проектування, використаний його дослідницькою групою в дослідженні, також може бути корисним для теоретиків, які вивчають квантові матеріали з іншими структурами кристалічної решітки.

«Пірохлор — не єдина гра в місті», — сказав Сі. «Це новий принцип дизайну, який дозволяє теоретикам передбачувано ідентифікувати матеріали, в яких плоскі смуги виникають через сильні електронні кореляції».

Є також великі можливості для подальшого експериментального дослідження кристалів пірохлору, сказав Ї.

«Це лише верхівка айсберга», — додала вона. «Це тривимірність, яка є новою, і враховуючи кількість дивовижних результатів, отриманих у мережах Кагоме, я думаю, що можна зробити такі ж або навіть більш захоплюючі відкриття в пірохлорних матеріалах».

Довідка: «Поведінка неферміївської рідини в плоскомасштабній пірохлорній решітці» Цзяньвей Хуан, Лі Чен, Юфей Хуан, Чандан Сеті, Бін Гао, Юе Ши, Сяоюй Лю, Їчен Чжан, Тургут Їлмаз, Еліо Весково, Макото Хашимото, Дунвей Лу, Борис І. Якобсон, Пінчен Дай, Джун-Хао Чжоу, Кіміао Сі та Мін І, 26 січня 2024 р. Фізика природи.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Дослідницька група включала 10 дослідників Райса з чотирьох лабораторій. Дослідницька група фізика Пінціна Дая виготовила кілька зразків, необхідних для експериментальної перевірки, а дослідницька група Бориса Якобссона у відділі матеріалознавства та наноінженерії виконала попередні розрахунки, які кількісно визначають ефекти плоскої смуги, що є результатом геометричної фрустрації. Експерименти ARPES проводилися в Райсі та на Синхротронному джерелі світла II Національної лабораторії SLAC у Каліфорнії та Другому національному джерелі синхротронного світла в Брукхейвенській національній лабораторії в Нью-Йорку, і команда включала співробітників із SLAC, Брукхейвена та Національного інституту Брукхейвена. Вашингтонський університет.

Дослідження використовувало ресурси, підтримані контрактом Міністерства енергетики (DOE) з SLAC (DE-AC02-76SF00515) і було підтримано грантами від Ініціативи нових явищ у квантових системах Фонду Гордона та Бетті Мур (GBMF9470) та Роберта А. Фонд Уелча. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Управління фундаментальних наук про енергетику DOE (DE-SC0018197), Управління наукових досліджень ВПС (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Національний науковий фонд (2100741), Управління військово-морських досліджень (ONR) (N00014-22-1-2753) і Програма стипендіатів факультету Ванневара Буша, якою керує ONR Управління фундаментальних досліджень Міністерства оборони (ONR-VB). ) № 00014-23-1-2870).