Nový výskum potvrdzuje metódu riadenej detekcie plošných 3D materiálov.

Vedci z Rice University objavili prvý materiál svojho druhu: 3D kryštalický kov, v ktorom sa kvantové korelácie a geometria kryštálovej štruktúry spájajú, aby prekazili pohyb elektrónov a držali ich na mieste.

Objav bol podrobne popísaný v štúdii publikovanej v r Fyzika prírody. Článok tiež popisuje teoretický princíp návrhu a experimentálnu metodológiu, ktoré viedli výskumný tím k materiálu. Jeden diel medi, dva diely vanádu a štyri diely síry Zliatina Obsahuje 3D pyrochlórovú mriežku pozostávajúcu z štvorstenov, ktoré zdieľajú rohy.

Kvantové previazanie a lokalizácia elektrónov

„Hľadáme materiály, ktoré majú potenciálne nové stavy hmoty alebo nové exotické črty, ktoré neboli objavené,“ povedal spoluautor štúdie Ming Yi, experimentálny fyzik z Rice.

Kvantové materiály majú potenciál byť miestom pre výskum, najmä ak obsahujú silné elektronické interakcie, ktoré vedú ku kvantovému zapleteniu. Zapletenie vedie k podivnému elektronickému správaniu, vrátane inhibície pohybu elektrónov do bodu, kde sa upevnia na miesto.

„Tento efekt kvantovej interferencie je ako vlny vlniace sa po hladine rybníka a stretávajúce sa čelne,“ povedal Yi. „Kolízia vytvára stojatú vlnu, ktorá sa nepohybuje. V prípade geometricky frustrovaných mriežkových materiálov sú to elektronické vlnové funkcie, ktoré deštruktívne interferujú.

Postdoktorandský výskumník Rice University Jianwei Huang zdieľal laboratórne zariadenie, ktoré použil na vykonávanie špecifických experimentov s uhlovou fotoemisnou spektroskopiou na zliatine medi a vanádu. Experimenty ukázali, že zliatina je prvým známym materiálom, v ktorom trojrozmerná kryštálová štruktúra a silné kvantové interakcie bránia pohybu elektrónov a držia ich na mieste, výsledkom čoho je plochá elektrónová tyč. Poďakovanie: Jeff Vitello/Rice University

Lokalizácia elektrónov v kovoch a polokovoch vytvára ploché elektronické domény alebo ploché pásma. V posledných rokoch fyzici zistili, že geometrické usporiadanie atómov v niektorých 2D kryštáloch, ako sú Kagomeove mriežky, môže tiež produkovať ploché stuhy. Nová štúdia poskytuje experimentálny dôkaz účinku v 3D hmote.

Pokročilé techniky a úžasné výsledky

Pomocou experimentálnej techniky nazývanej uhlovo-rozlíšená fotoemisná spektroskopia alebo ARPES Ye a hlavná autorka štúdie Jianwei Huang, postdoktorandka vo svojom laboratóriu, podrobne opísali štruktúru medeno-vanádovo-sírovej stuhy a zistili, že obsahuje plochú stuhu, ktorá je jedinečná. niekoľkými spôsobmi.

„Ukazuje sa, že oba typy fyziky sú v tomto materiáli dôležité,“ povedal Yee. „Aspekt geometrickej frustrácie tu bol, ako predpovedala teória. Príjemným prekvapením bolo, že existovali aj korelačné efekty, ktoré vytvorili plochý pás na Fermiho úrovni, kde sa mohol aktívne podieľať na určovaní fyzikálnych vlastností.“

Jianwei Huang. Poďakovanie: Jeff Vitello/Rice University

V pevnej látke obsadzujú elektróny kvantové stavy rozdelené do pásov. Tieto elektronické pásma možno považovať za priečky na rebríku a elektrostatické odpudzovanie obmedzuje počet elektrónov, ktoré môžu obsadiť každú priečku. Fermiho úroveň, inherentná vlastnosť materiálov a kritická vlastnosť na určenie ich pásovej štruktúry, sa vzťahuje na energetickú úroveň najvyššej obsadenej pozície na rebríku.

Teoretické poznatky a budúce smerovanie

Rice je teoretický fyzik a spoluautor štúdie Kimiao Si, ktorého výskumná skupina identifikovala zliatinu medi a vanádu a jej pyrochlórovú kryštálovú štruktúru ako potenciálneho hostiteľa pre kombinované frustračné efekty z geometrie a silných elektronických interakcií, prirovnal tento objav k zisteniu. nový kontinent. .

„Je to prvá práca, ktorá demonštruje nielen túto spoluprácu medzi inžinierskou frustráciou a interakciou, ale aj ďalšiu fázu, ktorou je dostať elektróny do rovnakého priestoru na vrchole (energetického) rebríčka, kde je maximálna príležitosť reorganizovať ich do nových fáz.“ povedal Si. Zaujímavé a potenciálne efektívne.“

Povedal, že prediktívna metodológia alebo princíp dizajnu, ktorý jeho výskumná skupina použila v štúdii, môžu byť užitočné aj pre teoretikov, ktorí študujú kvantové materiály s inými štruktúrami kryštálovej mriežky.

„Pyrochlor nie je jediná hra v meste,“ povedal See. „Toto je nový princíp dizajnu, ktorý umožňuje teoretikom prediktívne identifikovať materiály, v ktorých vznikajú ploché pásy v dôsledku silných elektronických korelácií.“

Existuje tiež veľký priestor na ďalšie experimentálne skúmanie kryštálov pyrochlóru, povedal Yi.

„Toto je len špička ľadovca,“ dodala. „Toto je trojrozmerné, čo je nové, a vzhľadom na množstvo úžasných výsledkov, ktoré boli dosiahnuté v sieťach Kagome, si myslím, že by mohli existovať rovnako alebo možno ešte vzrušujúcejšie objavy, ktoré možno urobiť v pyrochlórových materiáloch.“

Referencia: „Správanie nefermijskej tekutiny v plochej pyrochlórovej mriežke“ od Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, Dongwei Lou, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si a Ming Yi, 26. januára 2024, Fyzika prírody.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Výskumný tím zahŕňal 10 výskumníkov Rice zo štyroch laboratórií. Výskumná skupina fyzika Pingqing Dai vyrobila niekoľko vzoriek potrebných na experimentálne overenie a výskumná skupina Borisa Jakobssona na oddelení materiálovej vedy a nanoinžinierstva vykonala predbežné výpočty, ktoré kvantifikujú ploché efekty vyplývajúce z geometrickej frustrácie. Experimenty ARPES sa uskutočnili v Rice a v Synchrotrónovom svetelnom zdroji II Národného laboratória SLAC v Kalifornii a Druhom národnom synchrotrónovom svetelnom zdroji v Brookhaven National Laboratory v New Yorku a tím zahŕňal spolupracovníkov zo SLAC, Brookhaven a Brookhaven National Institute. Washingtonská univerzita.

Výskum využíval zdroje podporované zmluvou Ministerstva energetiky (DOE) so SLAC (DE-AC02-76SF00515) a bol podporený grantmi z iniciatívy Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) a Robert A. Welch Foundation. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Office of Basic Energy Sciences (DE-SC0018197), Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), National Science Foundation (2100741), Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) a Vannevar Bush Faculty Fellows Program spravovaný ONR Úradu základného výskumu ministerstva obrany (ONR-VB ) č. 00014-23- 1-2870).