Ученые обнаружили странное вещество, в котором электроны стоят неподвижно

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.

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.

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. 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.

«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).