Учені відкрили матеріал, у якому електрони стоять на місці

Нове дослідження підтверджує метод керованого відкриття 3D-матеріалів з плоскою стрічкою. 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 фіксувати їх на місці.

Знахідка детально описується в дослідженні, опублікованому в Nature Physics . У документі також описується теоретичний принцип дизайну та експериментальна методологія, якими керувалася дослідницька група до матеріалу. Одна частина міді, дві частини ванадію та чотири частини сірки, цей сплав має тривимірну решітку пірохлору, що складається з тетраедрів, що мають спільні кути.

Квантова заплутаність і локалізація електронів

«Ми шукаємо матеріали, у яких є потенційно нові стани матерії або нові екзотичні особливості, які ще не були виявлені», — сказав співавтор дослідження Мін I, фізик-експериментатор Райс.

Квантові матеріали — це ймовірне місце для пошуку, особливо якщо вони містять сильні електронні взаємодії, які викликають квантову заплутаність. Заплутаність призводить до дивної поведінки електронів, у тому числі до порушення руху електронів до точки, коли вони стають заблокованими на місці.

«Цей ефект квантової інтерференції схожий на хвилі, що брижуть поверхнею ставка та стикаються лобами», — сказав Ї. «Зіткнення створює стоячу хвилю, яка не рухається. У випадку геометрично порушених гратчастих матеріалів саме електронні хвильові функції руйнівно заважають».

Локалізація електронів у металах і напівметалах створює плоскі електронні смуги, або плоскі смуги. Останніми роками фізики виявили, що геометричне розташування атомів у деяких двовимірних кристалах, таких як гратки Кагоме, також може створювати плоскі смуги. Нове дослідження надає емпіричні докази ефекту в 3D-матеріалі.

Передові методи та несподівані знахідки

Використовуючи експериментальну техніку під назвою фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням, або ARPES, Ї та провідний автор дослідження Цзяньвей Хуанг, докторант у її лабораторії, детально описали зонну структуру мідно-ванадієво-сірчаного матеріалу та виявили, що він містить плоску смугу, яка унікальний у багатьох відношеннях.

«Виявилося, що обидва види фізики важливі в цьому матеріалі», — сказав Ї. «Аспект геометричної фрустрації був присутній, як і передбачала теорія. Приємним сюрпризом було те, що були також кореляційні ефекти, які створили плоску смугу на рівні Фермі, де вона може активно брати участь у визначенні фізичних властивостей».

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

Теоретичні ідеї та майбутні напрямки

Фізик-теоретик Райс і співавтор дослідження Ціміао Сі, чия дослідницька група визначила мідно-ванадієвий сплав і його кристалічну структуру пірохлору як можливий хост для комбінованих ефектів фрустрації від геометрії та сильної взаємодії електронів, порівняв відкриття з відкриттям нового континенту.

«Це перша робота, яка дійсно демонструє не тільки цю співпрацю між геометричним розчаруванням і розчаруванням, спричиненим взаємодією, але й наступний етап, на якому електрони перебувають у тому самому просторі на вершині (енергетичних) сходів, де є максимальний шанс їх реорганізації в цікаві та потенційно функціональні нові фази», — сказав Сі.

Він сказав, що методологія прогнозування або принцип проєктування, які його дослідницька група використовувала в дослідженні, також можуть виявитися корисними 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 прогнозовано ідентифікувати матеріали, в яких плоскі смуги виникають через сильну електронну кореляцію».

Йі сказав, що також є достатньо місця для подальшого експериментального дослідження кристалів пірохлору.

«Це лише верхівка айсберга», — сказала вона. «Це 3D, який є новим, і, враховуючи, скільки дивовижних знахідок було зроблено на решітках Кагоме, я припускаю, що такі ж, а може, навіть більше захоплюючі відкриття можуть бути зроблені в пірохлорних матеріалах».