Pētnieki no Rīsa universitātes ir atklājuši jaunu 3D kristālisku minerālu, kas aiztur elektronus savā vietā, pateicoties unikālajai mijiedarbībai starp kvantu korelācijām un materiāla ģeometrisko struktūru. Šis atklājums izceļ plakano elektronisko joslu lomu materiāla īpašību noteikšanā un paver ceļu turpmākai kvantu materiālu izpētei ar pirohloru režģa struktūrām. Kredīts: SciTechDaily.com
Jauns pētījums apstiprina metodi plakana mēroga 3D materiālu vadītai noteikšanai.
Raisa universitātes zinātnieki ir atklājuši pirmo šāda veida materiālu: 3D kristālisku metālu, kurā kvantu korelācijas un kristāla struktūras ģeometrija apvienojas, lai kavētu elektronu kustību un noturētu tos savā vietā.
Atklājums tika detalizēti aprakstīts pētījumā, kas publicēts Dabas fizika. Darbā ir aprakstīts arī teorētiskais projektēšanas princips un eksperimentālā metodoloģija, kas vadīja pētnieku grupu līdz materiālam. Viena daļa vara, divas daļas vanādija un četras daļas sēra Sakausējums Tam ir 3D pirohlora režģis, kas sastāv no tetraedriem, kuriem ir kopīgi stūri.
Kvantu sapīšanās un elektronu lokalizācija
“Mēs meklējam materiālus, kuriem varētu būt jauni matērijas stāvokļi vai jaunas eksotiskas iezīmes, kas nav atklātas,” sacīja pētījuma līdzautors Ming Yi, Rīsa eksperimentālais fiziķis.
Kvantu materiāli var būt vieta pētniecībai, it īpaši, ja tie satur spēcīgu elektronisku mijiedarbību, kas noved pie kvantu sapīšanās. Sapīšanās noved pie dīvainas elektroniskas uzvedības, tostarp elektronu kustības kavēšanas līdz vietai, kur tie tiek fiksēti vietā.
“Šis kvantu traucējumu efekts ir kā viļņi, kas viļņojas pa dīķa virsmu un saskaras ar galvu,” sacīja Ji. “Sadursmes rezultātā rodas stāvvilnis, kas nekustas. Ģeometriski frustrētu režģu materiālu gadījumā destruktīvi traucē elektronisko viļņu funkcijas.
Rīsa universitātes pēcdoktorantūras pētnieks Jianwei Huang dalījās ar laboratorijas ierīci, ko viņš izmantoja, lai veiktu īpašus leņķa fotoemisijas spektroskopijas eksperimentus ar vara un vanādija sakausējumu. Eksperimenti parādīja, ka sakausējums ir pirmais zināmais materiāls, kurā trīsdimensiju kristāla struktūra un spēcīga kvantu mijiedarbība izjauc elektronu kustību un notur tos vietā, kā rezultātā veidojas plakana elektronu stienis. Kredīts: Džefs Vitello/Risa universitāte
Elektronu lokalizācija metālos un pusmetālos rada plakanus elektroniskos domēnus vai plakanas joslas. Pēdējos gados fiziķi ir atklājuši, ka atomu ģeometriskais izvietojums dažos 2D kristālos, piemēram, Kagomes režģos, var radīt arī plakanas lentes. Jaunais pētījums sniedz eksperimentālus pierādījumus par ietekmi uz 3D vielu.
Uzlabotas tehnikas un pārsteidzoši rezultāti
Izmantojot eksperimentālu paņēmienu, ko sauc par leņķa izšķirtspējas fotoemisijas spektroskopiju jeb ARPES, Ye un pētījuma vadošais autors Dzjanvejs Huans, pēcdoktorantūras pētnieks savā laboratorijā, detalizēti aprakstīja vara-vanādija-sēra lentes struktūru un atklāja, ka tajā atrodas plakana lente, kas ir unikāla. vairākos veidos.
“Izrādās, ka abi fizikas veidi šajā materiālā ir svarīgi,” sacīja Yee. “Ģeometriskais vilšanās aspekts pastāvēja, kā paredzēja teorija. Patīkams pārsteigums bija tas, ka bija arī korelācijas efekti, kas radīja plakano joslu Fermi līmenī, kur tā varēja aktīvi iesaistīties fizisko īpašību noteikšanā.”
Dzjanvejs Huangs. Kredīts: Džefs Vitello/Risa universitāte
Cietā vielā elektroni aizņem kvantu stāvokļus, kas sadalīti joslās. Šīs elektroniskās joslas var uzskatīt par kāpņu pakāpieniem, un elektrostatiskā atgrūšanās ierobežo elektronu skaitu, kas var aizņemt katru pakāpienu. Fermi līmenis, materiāliem raksturīga īpašība un kritiska īpašība to joslas struktūras noteikšanai, attiecas uz kāpņu augstākās aizņemtās pozīcijas enerģijas līmeni.
Teorētiskās atziņas un nākotnes virzieni
Rīss ir teorētiskais fiziķis un pētījuma līdzautors Kimiao Si, kura pētnieku grupa identificēja vara-vanādija sakausējumu un tā pirohlora kristāla struktūru kā potenciālu ģeometrijas un spēcīgas elektroniskās mijiedarbības izraisīto vilšanās efektu, atklājumu salīdzināja ar jauna atrašanu. kontinents. .
“Tas ir pirmais darbs, kas demonstrē ne tikai šo sadarbību starp inženieru vilšanos un mijiedarbību, bet arī nākamo posmu, kas ir panākt, lai elektroni atrastos tajā pašā telpā (enerģijas) kāpņu augšgalā, kur ir maksimāla iespēja reorganizēt tos jaunās fāzēs,” sacīja Si. Interesanti un potenciāli efektīvi.”
Viņš teica, ka prognozēšanas metodoloģija vai projektēšanas princips, ko viņa pētījuma grupa izmantoja pētījumā, var būt noderīga arī teorētiķiem, kuri pēta kvantu materiālus ar citām kristāla režģa struktūrām.
“Pirohlors nav vienīgā spēle pilsētā,” sacīja See. “Šis ir jauns dizaina princips, kas ļauj teorētiķiem prognozēt identificēt materiālus, kuros spēcīgas elektroniskās korelācijas dēļ rodas plakanas joslas.”
Ir arī lielas iespējas turpmākai pirohlora kristālu eksperimentālai izpētei, sacīja Yi.
“Šī ir tikai aisberga redzamā daļa,” viņa piebilda. “Tas ir trīsdimensiju, kas ir jauns, un, ņemot vērā apbrīnojamo rezultātu skaitu, kas iegūti Kagomes tīklos, es domāju, ka pirohlora materiālos varētu būt tikpat vai varbūt pat aizraujošāki atklājumi.”
Atsauce: Dzjanveja Huana, Li Čena, Jufei Huana, Čandana Seti, Bin Gao, Jue Ši, Sjaoju Liu, Jičena Džana, Turguta Džilmaza, Elio Veskovo un Makoto Haņveja “Nefermi šķidruma uzvedība plakanā pirohlora režģī” . , Donggui Lu, Boriss I. Džeikobsons, Pingčeng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si un Ming Yi, 2024. gada 26. janvāris, Dabas fizika.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3
Pētniecības komandā bija 10 Rīsu pētnieki no četrām laboratorijām. Fiziķa Pingqing Dai pētnieku grupa sagatavoja vairākus paraugus, kas bija nepieciešami eksperimentālai pārbaudei, un Borisa Jakobsona pētniecības grupa Materiālzinātnes un nanoinženierijas katedrā veica provizoriskus aprēķinus, kas kvantitatīvi nosaka ģeometriskās frustrācijas radītās plakanas joslas efektus. ARPES eksperimenti tika veikti Raisā un SLAC Nacionālās laboratorijas Sinhrotrona gaismas avotā II Kalifornijā un Otrajā nacionālajā sinhrotronu gaismas avotā Brukheivenas Nacionālajā laboratorijā Ņujorkā, un komandā bija līdzstrādnieki no SLAC, Brūkhevenas un Brukhavenas Nacionālā institūta. Vašingtonas Universitāte.
Pētījumā tika izmantoti resursi, ko atbalstīja Enerģētikas departamenta (DOE) līgums ar SLAC (DE-AC02-76SF00515), un to atbalstīja Gordona un Betijas Mūru fonda (GBMF9470) un Roberta A. Emerging Phenomes in Quantum Systems Initiative. Welch fonds. Uzņēmums (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Enerģētikas pamatzinātņu birojs (DE-SC0018197), Gaisa spēku Zinātniskās pētniecības birojs (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Nacionālais zinātnes fonds (2100741), Jūras pētniecības birojs (ONR) (N00014-22-1-2753) un ONR pārvaldītā Vannevara Buša fakultātes stipendiātu programma Aizsardzības departamenta Pamatpētījumu birojam (ONR-VB). ) Nr. 00014-23-1 -2870).
