Gli scienziati hanno scoperto una strana sostanza in cui gli elettroni stanno fermi

Una nuova ricerca convalida un metodo per il rilevamento guidato di materiali 3D su scala piatta.

Gli scienziati della Rice University hanno scoperto un materiale unico nel suo genere: un metallo cristallino 3D in cui le correlazioni quantistiche e la geometria della struttura cristallina si combinano per contrastare il movimento degli elettroni e mantenerli in posizione.

La scoperta è stata dettagliata in uno studio pubblicato su Fisica della natura. L'articolo descrive inoltre il principio teorico di progettazione e la metodologia sperimentale che hanno guidato il gruppo di ricerca verso il materiale. Una parte di rame, due parti di vanadio e quattro parti di zolfo Lega È dotato di un reticolo di pirocloro 3D costituito da tetraedri che condividono gli angoli.

Entanglement quantistico e localizzazione degli elettroni

“Stiamo cercando materiali che potenzialmente abbiano nuovi stati della materia o nuove caratteristiche esotiche che non sono state scoperte”, ha detto il coautore dello studio Ming Yi, fisico sperimentale della Rice.

I materiali quantistici hanno il potenziale per essere un luogo di ricerca, soprattutto se contengono forti interazioni elettroniche che portano all’entanglement quantistico. L'entanglement porta a strani comportamenti elettronici, inclusa l'inibizione del movimento degli elettroni fino al punto in cui si fissano sul posto.

“Questo effetto di interferenza quantistica è come onde che si increspano sulla superficie di uno stagno e si incontrano frontalmente”, ha detto Yi. “La collisione crea un'onda stazionaria che non si muove. Nel caso di materiali reticolari geometricamente frustrati, sono le funzioni d'onda elettroniche che interferiscono in modo distruttivo.

Jianwei Huang, ricercatore post-dottorato della Rice University, ha condiviso un dispositivo da laboratorio che ha utilizzato per eseguire esperimenti di spettroscopia di fotoemissione ad angolo specifico su una lega di rame-vanadio. Gli esperimenti hanno dimostrato che la lega è il primo materiale conosciuto in cui la struttura cristallina tridimensionale e le forti interazioni quantistiche frustrano il movimento degli elettroni e li mantengono in posizione, risultando in una barra elettronica piatta. Credito: Jeff Vitello/Rice University

La localizzazione degli elettroni nei metalli e nei semimetalli produce domini elettronici piatti, o bande piatte. Negli ultimi anni, i fisici hanno scoperto che la disposizione geometrica degli atomi in alcuni cristalli 2D, come i reticoli di Kagome, può anche produrre nastri piatti. Il nuovo studio fornisce prove sperimentali dell’effetto nella materia 3D.

Tecniche avanzate e risultati sorprendenti

Utilizzando una tecnica sperimentale chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo, o ARPES, Ye e l'autrice principale dello studio Jianwei Huang, una ricercatrice post-dottorato nel suo laboratorio, hanno dettagliato la struttura del nastro di rame-vanadio-zolfo e hanno scoperto che ospita un nastro piatto unico in diversi modi.

“Si scopre che entrambi i tipi di fisica sono importanti in questo materiale”, ha detto Yee. “L'aspetto della frustrazione geometrica era presente, come previsto dalla teoria. La piacevole sorpresa è stata che c'erano anche effetti di correlazione che producevano la banda piatta al livello di Fermi, dove poteva essere attivamente coinvolta nella determinazione delle proprietà fisiche.”

Jianwei Huang. Credito: Jeff Vitello/Rice University

In un solido gli elettroni occupano stati quantistici divisi in bande. Queste bande elettroniche possono essere pensate come pioli su una scala e la repulsione elettrostatica limita il numero di elettroni che possono occupare ciascun piolo. Il livello di Fermi, una proprietà intrinseca dei materiali e una proprietà critica per determinare la loro struttura a bande, si riferisce al livello energetico della posizione occupata più alta sulla scala.

Approfondimenti teorici e direzioni future

Rice è un fisico teorico e coautore dello studio Kimiao Si, il cui gruppo di ricerca ha identificato la lega rame-vanadio e la sua struttura cristallina di pirocloro come potenziale ospite per effetti di co-frustrazione dalla geometria e da forti interazioni elettroniche, paragonando la scoperta alla scoperta di un nuovo continente. .

“È il primo lavoro che dimostra non solo questa collaborazione tra frustrazione ingegneristica e interazione, ma anche la fase successiva, che consiste nel far sì che gli elettroni si trovino nello stesso spazio in cima alla scala (energetica), dove c'è la massima opportunità di riorganizzarli in nuove fasi”, ha affermato Si. Interessante e potenzialmente efficace.”

Ha affermato che la metodologia predittiva o principio di progettazione utilizzato dal suo gruppo di ricerca nello studio potrebbe essere utile anche ai teorici che studiano materiali quantistici con altre strutture reticolari cristalline.

“Il pirocloruro non è l’unico gioco in città”, ha detto See. “Si tratta di un nuovo principio di progettazione che consente ai teorici di identificare in modo predittivo i materiali in cui si formano bande piatte a causa di forti correlazioni elettroniche.”

C’è anche un ampio margine per ulteriori esplorazioni sperimentali dei cristalli di pirocloro, ha detto Yi.

“Questa è solo la punta dell’iceberg”, ha aggiunto. “Questo è tridimensionale, il che è nuovo, e dato il numero di risultati sorprendenti che sono stati ottenuti nelle reti di Kagome, immagino che potrebbero esserci scoperte altrettanto o forse anche più entusiasmanti che possono essere fatte nei materiali piroclorati.”

Riferimento: “Comportamento fluido non-Fermi in un reticolo di pirocloro su scala piatta” di Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo e Makoto Hashimoto . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si e Ming Yi, 26 gennaio 2024, Fisica della natura.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Il gruppo di ricerca comprendeva 10 ricercatori della Rice provenienti da quattro laboratori. Il gruppo di ricerca del fisico Pingqing Dai ha prodotto diversi campioni necessari per la verifica sperimentale, mentre il gruppo di ricerca di Boris Jakobsson presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria ha eseguito calcoli preliminari che quantificano gli effetti a banda piatta risultanti dalla frustrazione geometrica. Gli esperimenti ARPES sono stati condotti alla Rice e al Synchrotron Light Source II dello SLAC National Laboratory in California e alla Second National Synchrotron Light Source presso il Brookhaven National Laboratory di New York, e il team comprendeva collaboratori di SLAC, Brookhaven e Brookhaven National Institute. Università di Washington.

La ricerca ha utilizzato risorse supportate da un contratto del Dipartimento dell'Energia (DOE) con SLAC (DE-AC02-76SF00515) ed è stata sostenuta da sovvenzioni dell'Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative della Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) e della Robert A Fondazione Welch. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Ufficio DOE per le scienze energetiche di base (DE-SC0018197), Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica militare (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), la National Science Foundation (2100741), l'Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) e il Vannevar Bush Faculty Fellows Program del Dipartimento della difesa Office of Basic Research (ONR-VB) amministrato dall'ONR ) N. 00014-23-1 -2870).