Nauji tyrimai patvirtina metodą, leidžiantį aptikti plokščias 3D medžiagas.

Rice universiteto mokslininkai atrado pirmą tokio tipo medžiagą: 3D kristalinį metalą, kuriame kvantinės koreliacijos ir kristalų struktūros geometrija sutrukdo elektronų judėjimą ir palaiko juos vietoje.

Šis atradimas buvo išsamiai aprašytas tyrime, paskelbtame m Gamtos fizika. Straipsnyje taip pat aprašomas teorinis projektavimo principas ir eksperimentinė metodika, kuri vadovavo tyrimo grupei prie medžiagos. Viena dalis vario, dvi dalys vanadžio ir keturios dalys sieros Lydinys Jame yra 3D pirochloro gardelė, susidedanti iš tetraedrų, kurie dalijasi kampais.

Kvantinis įsipainiojimas ir elektronų lokalizacija

„Mes ieškome medžiagų, kurios gali turėti naujas materijos būsenas arba naujas egzotiškas savybes, kurios nebuvo atrastos“, – sakė tyrimo bendraautorius Ming Yi, Rice eksperimentinis fizikas.

Kvantinės medžiagos gali būti mokslinių tyrimų vieta, ypač jei jose yra stipri elektroninė sąveika, sukelianti kvantinį įsipainiojimą. Įsipainiojimas sukelia keistą elektroninį elgesį, įskaitant elektronų judėjimo slopinimą iki taško, kur jie užsifiksuoja.

„Šis kvantinių trukdžių efektas yra tarsi bangos, raibuliuojančios tvenkinio paviršiumi ir susitinkančios tiesiai“, – sakė Yi. „Susidūrimo metu susidaro stovi banga, kuri nejuda. Geometriškai frustruotų grotelių medžiagų atveju destruktyviai trukdo elektroninės bangos funkcijos.

Rice universiteto doktorantūros tyrėjas Jianwei Huangas pasidalino laboratoriniu prietaisu, kurį naudojo atlikdamas specifinius kampo fotoemisijos spektroskopijos eksperimentus su vario ir vanadžio lydiniu. Eksperimentai parodė, kad lydinys yra pirmoji žinoma medžiaga, kurioje trimatė kristalų struktūra ir stipri kvantinė sąveika sutrikdo elektronų judėjimą ir sulaiko juos vietoje, todėl susidaro plokščia elektronų juosta. Kreditas: Jeffas Vitello / Ryžių universitetas

Elektronų lokalizacija metaluose ir pusmetaliuose sukuria plokščias elektronines sritis arba plokščias juostas. Pastaraisiais metais fizikai išsiaiškino, kad geometrinis atomų išsidėstymas kai kuriuose 2D kristaluose, pavyzdžiui, Kagome grotelėse, taip pat gali sudaryti plokščias juosteles. Naujajame tyrime pateikiami eksperimentiniai 3D medžiagos poveikio įrodymai.

Pažangios technologijos ir nuostabūs rezultatai

Naudodami eksperimentinę techniką, vadinamą kampo skiriamosios gebos fotoemisijos spektroskopija arba ARPES, Ye ir tyrimo pagrindinis autorius Jianwei Huangas, jos laboratorijos doktorantas, išsamiai išaiškino vario, vanadžio ir sieros juostelės struktūrą ir nustatė, kad joje yra plokščia juostelė, kuri yra unikali. keliais būdais.

„Pasirodo, kad šioje medžiagoje svarbūs abu fizikos tipai“, – sakė Yee. „Geometrinis nusivylimo aspektas buvo, kaip prognozavo teorija. Malonus siurprizas buvo tai, kad taip pat buvo koreliacijos efektai, kurie sukūrė plokščią juostą Fermio lygyje, kur ji galėjo aktyviai dalyvauti nustatant fizines savybes.”

Jianwei Huang. Kreditas: Jeffas Vitello / Ryžių universitetas

Kietajame kūne elektronai užima kvantines būsenas, suskirstytas į juostas. Šios elektroninės juostos gali būti laikomos laipteliais ant kopėčių, o elektrostatinis atstūmimas riboja elektronų, galinčių užimti kiekvieną laiptelį, skaičių. Fermi lygis, būdinga medžiagoms ir kritinė savybė nustatant jų juostos struktūrą, reiškia energijos lygį aukščiausioje kopėčiose užimamoje vietoje.

Teorinės įžvalgos ir ateities kryptys

Rice'as yra teorinis fizikas ir tyrimo bendraautoris Kimiao Si, kurio tyrimų grupė nustatė, kad vario-vanadžio lydinys ir jo pirochloro kristalų struktūra yra potencialus kombinuoto nusivylimo dėl geometrijos ir stiprios elektroninės sąveikos šeimininkas, atradimą palygino su atradimu. naujas žemynas. .

„Tai pirmasis darbas, parodantis ne tik šį bendradarbiavimą tarp inžinerinio nusivylimo ir sąveikos, bet ir kitą etapą, kurio metu elektronai atsiduria toje pačioje erdvėje (energijos) kopėčių viršuje, kur yra maksimali galimybė pertvarkyti juos į naujus etapus“, – sakė Si. Įdomu ir potencialiai efektyvu.

Jis teigė, kad nuspėjamoji metodika arba projektavimo principas, kurį jo tyrimo grupė naudojo tyrime, taip pat gali būti naudinga teoretikams, tyrinėjantiems kvantines medžiagas su kitomis kristalinės gardelės struktūromis.

„Pyrochloras nėra vienintelis žaidimas mieste“, – sakė See. „Tai naujas projektavimo principas, leidžiantis teoretikams numatyti medžiagas, kuriose dėl stiprių elektroninių koreliacijų atsiranda plokščios juostos.

Taip pat yra daug galimybių tolesniam eksperimentiniam pirochloro kristalų tyrinėjimui, sakė Yi.

„Tai tik ledkalnio viršūnė“, – pridūrė ji. „Tai yra trimatis, o tai yra nauja, ir atsižvelgiant į daugybę nuostabių rezultatų, pasiektų Kagome tinkluose, manau, kad pirochloro medžiagose gali būti tokių pat ar galbūt net daugiau įdomių atradimų.”

Nuoroda: Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto „Non-Fermi Fluid Behavior in Flat-Scale Pirochlore Lattice“ Dongwei Lou, Borisas I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si ir Ming Yi, 2024 m. sausio 26 d. Gamtos fizika.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Tyrimo grupėje dalyvavo 10 Rice tyrėjų iš keturių laboratorijų. Fiziko Pingqing Dai tyrimų grupė parengė kelis pavyzdžius, reikalingus eksperimentiniam patikrinimui, o Boriso Jakobssono tyrimų grupė Medžiagų mokslo ir nanoinžinerijos katedroje atliko preliminarius skaičiavimus, kurie kiekybiškai įvertino plokščios juostos efektus, atsirandančius dėl geometrinio nusivylimo. ARPES eksperimentai buvo atlikti Rice ir SLAC nacionalinės laboratorijos sinchrotroninio šviesos šaltinio II Kalifornijoje ir Antrojo nacionalinio sinchrotroninio šviesos šaltinio Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje Niujorke, o komandoje dalyvavo bendradarbiai iš SLAC, Brookhaven ir Brookhaven nacionalinio instituto. Vašingtono universitetas.

Tyrimui buvo naudojami ištekliai, remiami pagal Energetikos departamento (DOE) sutartį su SLAC (DE-AC02-76SF00515) ir buvo remiami Gordono ir Betty Moore fondo (GBMF9470) ir Robert A. Welch fondas. Įmonė (C-2175, C-1411, C-1839), DOE pagrindinių energetikos mokslų biuras (DE-SC0018197), oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Nacionalinis mokslo fondas (2100741), Karinio jūrų laivyno tyrimų biuras (ONR) (N00014-22-1-2753) ir Vannevar Bush fakulteto stipendijų programa, kurią administruoja Gynybos departamento Pagrindinių tyrimų biuras (ONR-VB) ) Nr. 00014-23- 1-2870).