Wetenschappers hebben een vreemde substantie ontdekt waarin elektronen stilstaan

Nieuw onderzoek valideert een methode voor begeleide detectie van 3D-materialen op vlakke schaal.

Wetenschappers van Rice University hebben een materiaal ontdekt dat uniek is in zijn soort: een 3D-kristallijn metaal waarin kwantumcorrelaties en de geometrie van de kristalstructuur gecombineerd worden om de beweging van elektronen te dwarsbomen en ze op hun plaats te houden.

De ontdekking werd gedetailleerd beschreven in een studie gepubliceerd in Natuurfysica. Het artikel beschrijft ook het theoretische ontwerpprincipe en de experimentele methodologie die het onderzoeksteam naar het materiaal hebben geleid. Eén deel koper, twee delen vanadium en vier delen zwavel Legering Het beschikt over een 3D-pyrochloorrooster bestaande uit tetraëders die hoeken delen.

Kwantumverstrengeling en elektronenlokalisatie

“We zijn op zoek naar materialen die mogelijk nieuwe toestanden van materie hebben of nieuwe exotische kenmerken die nog niet zijn ontdekt”, zegt co-auteur van het onderzoek Ming Yi, een experimenteel natuurkundige bij Rice.

Kwantummaterialen hebben het potentieel om een ​​plek voor onderzoek te zijn, vooral als ze sterke elektronische interacties bevatten die tot kwantumverstrengeling leiden. Verstrengeling leidt tot vreemd elektronisch gedrag, waaronder het remmen van de beweging van elektronen tot het punt waarop ze op hun plaats vast komen te zitten.

“Dit kwantuminterferentie-effect is als golven die over het oppervlak van een vijver rimpelen en elkaar frontaal ontmoeten,” zei Yi. “De botsing creëert een staande golf die niet beweegt. In het geval van geometrisch gefrustreerde roostermaterialen zijn het de elektronische golffuncties die destructief interfereren.

Postdoctoraal onderzoeker Jianwei Huang van Rice University deelde een laboratoriumapparaat dat hij gebruikte om specifieke hoekfoto-emissiespectroscopie-experimenten uit te voeren op een koper-vanadiumlegering. Experimenten toonden aan dat de legering het eerste bekende materiaal is waarin de driedimensionale kristalstructuur en sterke kwantuminteracties de beweging van elektronen frustreren en op hun plaats houden, wat resulteert in een platte elektronenbalk. Krediet: Jeff Vitello/Rice Universiteit

Elektronenlokalisatie in metalen en halfmetalen produceert platte elektronische domeinen of flatbands. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen ontdekt dat de geometrische rangschikking van atomen in sommige 2D-kristallen, zoals de roosters van Kagome, ook platte linten kan opleveren. De nieuwe studie levert experimenteel bewijs van het effect in 3D-materie.

Geavanceerde technieken en verbluffende resultaten

Met behulp van een experimentele techniek genaamd 'angle-resolved photoemission spectroscopie', of ARPES, hebben Ye en de hoofdauteur van het onderzoek, Jianwei Huang, een postdoctoraal onderzoeker in haar laboratorium, de koper-vanadium-zwavel-lintstructuur gedetailleerd en ontdekten dat deze een plat lint herbergt dat uniek is. op verschillende manieren.

“Het blijkt dat beide soorten natuurkunde belangrijk zijn in dit materiaal,” zei Yee. “Het geometrische frustratie-aspect was aanwezig, zoals de theorie voorspelde. De aangename verrassing was dat er ook correlatie-effecten waren die de platte band op het Fermi-niveau produceerden, waar deze actief betrokken kon worden bij het bepalen van de fysieke eigenschappen.”

Jianwei Huang. Krediet: Jeff Vitello/Rice Universiteit

In een vaste stof bezetten elektronen kwantumtoestanden die in banden zijn verdeeld. Deze elektronische banden kunnen worden gezien als sporten op een ladder, en elektrostatische afstoting beperkt het aantal elektronen dat elke sport kan bezetten. Het Fermi-niveau, een inherente eigenschap van materialen en een kritische eigenschap voor het bepalen van hun bandstructuur, verwijst naar het energieniveau van de hoogste bezette positie op de ladder.

Theoretische inzichten en toekomstige richtingen

Rice is een theoretisch natuurkundige en co-auteur van de studie. Kimiao Si, wiens onderzoeksgroep de koper-vanadiumlegering en de pyrochloorkristalstructuur ervan identificeerde als een potentiële gastheer voor gecombineerde frustratie-effecten van geometrie en sterke elektronische interacties, vergeleek de ontdekking met het vinden van een nieuw continent. .

“Het is het eerste werk dat niet alleen deze samenwerking tussen technische frustratie en interactie demonstreert, maar ook de volgende fase, namelijk ervoor zorgen dat de elektronen zich in dezelfde ruimte bovenaan de (energie)ladder bevinden, waar de maximale kans bestaat om reorganiseer ze in nieuwe fasen, “zei Si. Interessant en potentieel effectief.”

Hij zei dat de voorspellende methodologie of het ontwerpprincipe dat zijn onderzoeksgroep in het onderzoek gebruikte ook nuttig kan zijn voor theoretici die kwantummaterialen met andere kristalroosterstructuren bestuderen.

‘Pyrochloor is niet het enige spel in de stad,’ zei See. “Dit is een nieuw ontwerpprincipe waarmee theoretici voorspellend materialen kunnen identificeren waarin platte banden ontstaan ​​als gevolg van sterke elektronische correlaties.”

Er is ook veel ruimte voor verdere experimentele verkenning van pyrochloorkristallen, zei Yi.

“Dit is nog maar het topje van de ijsberg”, voegde ze eraan toe. “Dit is driedimensionaal, wat nieuw is, en gezien het aantal verbazingwekkende resultaten dat is gedaan in de netwerken van Kagome, kan ik me voorstellen dat er evenveel of misschien zelfs nog spannender ontdekkingen kunnen worden gedaan in pyrochloormaterialen.”

Referentie: “Niet-Fermi vloeibaar gedrag in een plat pyrochloorrooster” door 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 en Ming Yi, 26 januari 2024, Natuurfysica.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Het onderzoeksteam bestond uit 10 rijstonderzoekers uit vier laboratoria. De onderzoeksgroep van natuurkundige Pingqing Dai produceerde verschillende monsters die nodig waren voor experimentele verificatie, en de onderzoeksgroep van Boris Jakobsson bij het Department of Materials Science and Nanoengineering voerde voorlopige berekeningen uit die flat-band effecten als gevolg van geometrische frustratie kwantificeren. De ARPES-experimenten werden uitgevoerd bij Rice en bij de Synchrotron Light Source II van het SLAC National Laboratory in Californië en de Second National Synchrotron Light Source bij het Brookhaven National Laboratory in New York, en het team bestond uit medewerkers van SLAC, Brookhaven en Brookhaven National Institute. universiteit van Washington.

Voor het onderzoek werd gebruik gemaakt van middelen die werden ondersteund door een contract van het Department of Energy (DOE) met SLAC (DE-AC02-76SF00515) en werd ondersteund door subsidies van het Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative van de Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) en de Robert A Stichting Welch. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Bureau voor Basisenergiewetenschappen (DE-SC0018197), Luchtmachtbureau voor Wetenschappelijk Onderzoek (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), de National Science Foundation (2100741), het Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) en het Vannevar Bush Faculty Fellows Program beheerd door ONR van het Department of Defense Office of Basic Research (ONR-VB ) Nr. 00014-23-1-2870).