Wissenschaftler haben eine seltsame Substanz entdeckt, in der Elektronen stillstehen

Neue Forschungsergebnisse validieren eine Methode zur geführten Erkennung flacher 3D-Materialien.

Wissenschaftler der Rice University haben ein einzigartiges Material entdeckt: ein dreidimensionales kristallines Metall, bei dem Quantenkorrelationen und die Geometrie der Kristallstruktur zusammenwirken, um die Bewegung von Elektronen zu behindern und sie an Ort und Stelle zu halten.

Die Entdeckung wurde in einer Studie detailliert beschrieben, die in veröffentlicht wurde Naturphysik. Das Papier beschreibt auch das theoretische Designprinzip und die experimentelle Methodik, die das Forschungsteam zu dem Material geführt haben. Ein Teil Kupfer, zwei Teile Vanadium und vier Teile Schwefel Legierung Es verfügt über ein 3D-Pyrochlorgitter, das aus Tetraedern mit gemeinsamen Ecken besteht.

Quantenverschränkung und Elektronenlokalisierung

„Wir suchen nach Materialien, die möglicherweise neue Materiezustände oder neue exotische Merkmale aufweisen, die noch nicht entdeckt wurden“, sagte Ming Yi, Co-Autor der Studie und Experimentalphysiker bei Rice.

Quantenmaterialien haben das Potenzial, ein Ort für die Forschung zu sein, insbesondere wenn sie starke elektronische Wechselwirkungen enthalten, die zu einer Quantenverschränkung führen. Die Verschränkung führt zu seltsamen elektronischen Verhaltensweisen, einschließlich der Hemmung der Bewegung von Elektronen bis zu dem Punkt, an dem sie an ihrem Platz fixiert werden.

„Dieser Quanteninterferenzeffekt ist wie Wellen, die über die Oberfläche eines Teiches kräuseln und frontal aufeinander treffen“, sagte Yi. „Durch die Kollision entsteht eine stehende Welle, die sich nicht bewegt. Bei geometrisch frustrierten Gittermaterialien sind es die elektronischen Wellenfunktionen, die destruktiv interferieren.“

Der Postdoktorand der Rice University, Jianwei Huang, stellte ein Laborgerät vor, mit dem er spezifische Winkel-Photoemissionsspektroskopie-Experimente an einer Kupfer-Vanadium-Legierung durchführte. Experimente zeigten, dass die Legierung das erste bekannte Material ist, bei dem die dreidimensionale Kristallstruktur und starke Quantenwechselwirkungen die Bewegung von Elektronen behindern und sie an Ort und Stelle halten, was zu einem flachen Elektronenstab führt. Bildnachweis: Jeff Vitello/Rice University

Die Elektronenlokalisierung in Metallen und Halbmetallen erzeugt flache elektronische Domänen oder Flachbänder. In den letzten Jahren haben Physiker herausgefunden, dass die geometrische Anordnung der Atome in einigen 2D-Kristallen, wie etwa den Kagome-Gittern, auch flache Bänder erzeugen kann. Die neue Studie liefert experimentelle Beweise für den Effekt in 3D-Materie.

Fortschrittliche Techniken und erstaunliche Ergebnisse

Mit einer experimentellen Technik namens winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) haben Ye und der Hauptautor der Studie, Jianwei Huang, ein Postdoktorand in ihrem Labor, die Kupfer-Vanadium-Schwefel-Bandstruktur detailliert beschrieben und herausgefunden, dass sie ein einzigartiges flaches Band enthält In vielen Wegen.

„Es stellt sich heraus, dass beide Arten der Physik in diesem Material wichtig sind“, sagte Yee. „Der geometrische Frustrationsaspekt war vorhanden, wie die Theorie vorhersagte. Die angenehme Überraschung war, dass es auch Korrelationseffekte gab, die das flache Band auf dem Fermi-Niveau erzeugten, wo es aktiv an der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften beteiligt sein konnte.“

Jianwei Huang. Bildnachweis: Jeff Vitello/Rice University

In einem Festkörper besetzen Elektronen Quantenzustände, die in Bänder unterteilt sind. Man kann sich diese elektronischen Bänder wie Sprossen auf einer Leiter vorstellen, und die elektrostatische Abstoßung begrenzt die Anzahl der Elektronen, die jede Sprosse besetzen kann. Das Fermi-Niveau, eine inhärente Eigenschaft von Materialien und eine entscheidende Eigenschaft zur Bestimmung ihrer Bandstruktur, bezieht sich auf das Energieniveau der höchsten besetzten Position auf der Leiter.

Theoretische Erkenntnisse und zukünftige Richtungen

Rice ist theoretischer Physiker und Mitautor der Studie. Kimiao Si, dessen Forschungsgruppe die Kupfer-Vanadium-Legierung und ihre Pyrochlor-Kristallstruktur als potenziellen Wirt für kombinierte Frustrationseffekte aus Geometrie und starken elektronischen Wechselwirkungen identifizierte, verglich die Entdeckung mit einer Entdeckung ein neuer Kontinent. .

„Es ist die erste Arbeit, die nicht nur diese Zusammenarbeit zwischen technischer Frustration und Interaktion demonstriert, sondern auch die nächste Stufe, die darin besteht, die Elektronen in den gleichen Raum an der Spitze der (Energie-)Leiter zu bringen, wo die maximale Möglichkeit dazu besteht.“ „Wir organisieren sie in neue Phasen“, sagte Si. Interessant und möglicherweise effektiv.“

Er sagte, die Vorhersagemethodik oder das Designprinzip, das seine Forschungsgruppe in der Studie verwendet habe, könnten auch für Theoretiker nützlich sein, die Quantenmaterialien mit anderen Kristallgitterstrukturen untersuchen.

„Pyrochlor ist nicht das einzige Spiel in der Stadt“, sagte See. „Dies ist ein neues Designprinzip, das es Theoretikern ermöglicht, Materialien vorhersagbar zu identifizieren, in denen aufgrund starker elektronischer Korrelationen flache Bänder entstehen.“

Es gebe auch großen Spielraum für die weitere experimentelle Erforschung von Pyrochlorkristallen, sagte Yi.

„Das ist nur die Spitze des Eisbergs“, fügte sie hinzu. „Das ist dreidimensional, was neu ist, und angesichts der Anzahl erstaunlicher Ergebnisse, die in Kagomes Netzwerken erzielt wurden, kann ich mir vorstellen, dass es bei Pyrochlormaterialien ebenso oder vielleicht sogar noch aufregendere Entdeckungen geben könnte.“

Referenz: „Non-Fermi Fluid Behavior in a Flat-Scale Pyrochlor Lattice“ von 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 und Ming Yi, 26. Januar 2024, Naturphysik.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Zum Forschungsteam gehörten 10 Rice-Forscher aus vier Labors. Die Forschungsgruppe des Physikers Pingqing Dai produzierte mehrere Proben, die für die experimentelle Verifizierung benötigt wurden, und die Forschungsgruppe von Boris Jakobsson in der Abteilung für Materialwissenschaft und Nanotechnik führte vorläufige Berechnungen durch, die Flachbandeffekte quantifizieren, die aus geometrischer Frustration resultieren. Die ARPES-Experimente wurden in Rice und an der Synchrotron Light Source II des SLAC National Laboratory in Kalifornien und der Second National Synchrotron Light Source im Brookhaven National Laboratory in New York durchgeführt. Das Team bestand aus Mitarbeitern von SLAC, Brookhaven und dem Brookhaven National Institute. Universität von Washington.

Die Forschung nutzte Ressourcen, die durch einen Vertrag des Energieministeriums (DOE) mit SLAC (DE-AC02-76SF00515) unterstützt wurden, und wurde durch Zuschüsse der Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative der Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) und des Robert A. unterstützt . Welch Foundation. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), DOE Office of Basic Energy Sciences (DE-SC0018197), Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), der National Science Foundation (2100741), dem Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) und dem Vannevar Bush Faculty Fellows Program, das vom ONR des Department of Defense Office of Basic Research (ONR-VB) verwaltet wird ) Nr. 00014-23-1-2870).