18 июня, 2024

Orsk.today

Будьте в курсе последних событий в России благодаря новостям Орска, эксклюзивным видеоматериалам, фотографиям и обновленным картам.

Ученые обнаружили странное вещество, в котором электроны стоят неподвижно

Ученые обнаружили странное вещество, в котором электроны стоят неподвижно

Исследователи из Университета Райса обнаружили новый трехмерный кристаллический минерал, который удерживает электроны на месте благодаря уникальному взаимодействию между квантовыми корреляциями и геометрической структурой материала. Это открытие подчеркивает роль плоских электронных зон в определении свойств материала и открывает путь для дальнейших исследований квантовых материалов со структурой решетки пирохлора. Фото: SciTechDaily.com

Новое исследование подтверждает метод управляемого обнаружения плоских 3D-материалов.

Ученые из Университета Райса обнаружили первый в своем роде материал: трехмерный кристаллический металл, в котором квантовые корреляции и геометрия кристаллической структуры объединяются, чтобы препятствовать движению электронов и удерживать их на месте.

Открытие подробно описано в исследовании, опубликованном в Физика природы. В статье также описываются принцип теоретического проектирования и экспериментальная методология, которые помогли исследовательской группе изучить материал. Одна часть меди, две части ванадия и четыре части серы. Сплав Он представляет собой трехмерную решетку пирохлора, состоящую из тетраэдров, имеющих общие углы.

Квантовая запутанность и локализация электронов

«Мы ищем материалы, которые потенциально могут иметь новые состояния материи или новые экзотические свойства, которые еще не были обнаружены», — сказал соавтор исследования Минг Йи, физик-экспериментатор из Райс.

Квантовые материалы потенциально могут стать местом для исследований, особенно если они содержат сильные электронные взаимодействия, приводящие к квантовой запутанности. Запутывание приводит к странному поведению электронов, включая подавление движения электронов до точки, где они фиксируются на месте.

«Этот эффект квантовой интерференции подобен волнам, струящимся по поверхности пруда и встречающимся лобами», — сказал Йи. «Столкновение создает стоячую волну, которая не движется. В случае с геометрически нарушенными решетчатыми материалами именно электронные волновые функции оказывают разрушительное воздействие.

Цзяньвэй Хуан с лабораторным устройством

Постдокторант Университета Райса Цзяньвэй Хуан поделился лабораторным устройством, которое он использовал для проведения экспериментов по фотоэмиссионной спектроскопии под определенным углом на медно-ванадиевом сплаве. Эксперименты показали, что этот сплав является первым известным материалом, в котором трехмерная кристаллическая структура и сильные квантовые взаимодействия препятствуют движению электронов и удерживают их на месте, в результате чего образуется плоский электронный стержень. Фото: Джефф Вителло/Университет Райса.

Локализация электронов в металлах и полуметаллах приводит к образованию плоских электронных доменов или плоских зон. В последние годы физики обнаружили, что геометрическое расположение атомов в некоторых двумерных кристаллах, таких как решётки Кагоме, также может создавать плоские ленты. Новое исследование предоставляет экспериментальные доказательства эффекта в трехмерной материи.

READ  НАСА представило ракету, которая сможет долететь до Марса за два месяца

Передовые методы и потрясающие результаты

Используя экспериментальный метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением, или ARPES, Е и ведущий автор исследования Цзяньвэй Хуан, научный сотрудник ее лаборатории, подробно описали структуру ленты медь-ванадий-сера и обнаружили, что она содержит плоскую ленту, которая является уникальной. несколькими способами.

«Оказывается, в этом материале важны оба типа физики», — сказал Йи. «Аспект геометрического расстройства присутствовал, как и предсказывала теория. Приятным сюрпризом было то, что существовали также корреляционные эффекты, которые создавали плоскую зону на уровне Ферми, где она могла активно участвовать в определении физических свойств».

Цзяньвэй Хуан

Цзяньвэй Хуан. Фото: Джефф Вителло/Университет Райса.

В твердом теле электроны занимают квантовые состояния, разделенные на зоны. Эти электронные зоны можно рассматривать как ступеньки лестницы, а электростатическое отталкивание ограничивает количество электронов, которые могут занять каждую ступеньку. Уровень Ферми, неотъемлемое свойство материалов и критическое свойство для определения их зонной структуры, относится к энергетическому уровню самой высокой занятой позиции на лестнице.

Теоретические идеи и будущие направления

Райс — физик-теоретик и соавтор исследований Кимиао Си, чья исследовательская группа определила медно-ванадиевый сплав и его пирохлоровую кристаллическую структуру как потенциальную среду для эффектов ко-фрустрации, вызванных геометрией и сильными электронными взаимодействиями, сравнил это открытие с обнаружением нового континент. .

«Это первая работа, которая демонстрирует не только это сотрудничество между инженерным разочарованием и взаимодействием, но и следующий этап, который заставляет электроны оказаться в одном и том же пространстве на вершине (энергетической) лестницы, где есть максимальная возможность реорганизовать их в новые фазы», ​​— сказал Си. Интересно и потенциально эффективно».

Он сказал, что методология прогнозирования или принцип проектирования, использованные его исследовательской группой в исследовании, также могут быть полезны теоретикам, изучающим квантовые материалы с другими структурами кристаллической решетки.

READ  На борту китайского лунного зонда «Чанъэ-6» появился загадочный гость

«Пирохлор — не единственная дичь в городе», — сказал Си. «Это новый принцип проектирования, который позволяет теоретикам прогнозировать материалы, в которых возникают плоские полосы из-за сильных электронных корреляций».

По словам Йи, существуют также большие возможности для дальнейшего экспериментального исследования кристаллов пирохлора.

«Это лишь верхушка айсберга», — добавила она. «Это трехмерный объект, который является новым, и, учитывая количество удивительных результатов, полученных в сетях Кагоме, я полагаю, что могут быть столь же или, возможно, даже более захватывающие открытия, которые могут быть сделаны в пирохлоровых материалах».

Ссылка: «Поведение нефермиевской жидкости в плоскомасштабной решетке пирохлора», Цзянвэй Хуан, Ли Чен, Юфэй Хуан, Чандан Сети, Бин Гао, Юэ Ши, Сяоюй Лю, Ичен Чжан, Тургут Йылмаз, Элио Весково и Макото Хашимото . , Дунгуй Лу, Борис И. Джейкобсон, Пинчэн Дай, Цзюнь-Хао Чжоу, Кимяо Си и Мин И, 26 января 2024 г., Физика природы.
дои: 10.1038/s41567-023-02362-3

В исследовательскую группу вошли 10 исследователей Райса из четырех лабораторий. Исследовательская группа физика Пинцина Дая подготовила несколько образцов, необходимых для экспериментальной проверки, а исследовательская группа Бориса Якобссона на факультете материаловедения и наноинженерии выполнила предварительные расчеты, позволяющие количественно оценить плоскозонные эффекты, возникающие в результате геометрического нарушения. Эксперименты ARPES проводились в Райсе, на Источнике синхротронного света II Национальной лаборатории SLAC в Калифорнии и на Втором национальном источнике синхротронного света в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, а в команду входили сотрудники из SLAC, Брукхейвена и Брукхейвенского национального института. Вашингтонский университет.

В исследовании использовались ресурсы, поддержанные контрактом Министерства энергетики (DOE) с SLAC (DE-AC02-76SF00515), а также грантами Инициативы «Новые явления в квантовых системах» Фонда Гордона и Бетти Мур (GBMF9470) и Фонда Роберта А. Фонд Уэлча. Предприятие (C-2175, C-1411, C-1839), Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики (DE-SC0018197), Управление научных исследований ВВС (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Национального научного фонда (2100741), Управления военно-морских исследований (ONR) (N00014-22-1-2753) и управляемой ONR программы стипендиатов факультета Ванневара Буша Управления фундаментальных исследований Министерства обороны (ONR-VB). ) № 00014-23-1-2870).

READ  Джеймс Уэбб заметил что-то скрывающееся в обломках сверхновой