Para ilmuwan telah menemukan zat aneh di mana elektron diam

Penelitian baru memvalidasi metode deteksi terpandu material 3D skala datar.

Para ilmuwan di Rice University telah menemukan material pertama dari jenisnya: logam kristal 3D yang menggabungkan korelasi kuantum dan geometri struktur kristal untuk menghalangi pergerakan elektron dan menahannya di tempatnya.

Penemuan ini dirinci dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Fisika alam. Makalah ini juga menjelaskan prinsip desain teoretis dan metodologi eksperimental yang memandu tim peneliti pada materi tersebut. Satu bagian tembaga, dua bagian vanadium, dan empat bagian belerang Paduan Ini menampilkan kisi piroklore 3D yang terdiri dari tetrahedron yang berbagi sudut.

Keterikatan kuantum dan lokalisasi elektron

“Kami mencari material yang berpotensi memiliki wujud materi baru atau fitur eksotik baru yang belum ditemukan,” kata rekan penulis studi Ming Yi, fisikawan eksperimental di Rice.

Materi kuantum berpotensi menjadi tempat penelitian, terutama jika mengandung interaksi elektronik kuat yang mengarah pada belitan kuantum. Keterikatan menyebabkan perilaku elektronik yang aneh, termasuk menghambat pergerakan elektron hingga elektron tertahan di tempatnya.

“Efek interferensi kuantum ini seperti gelombang yang beriak di permukaan kolam dan bertemu secara langsung,” kata Yi. “Tumbukan tersebut menciptakan gelombang berdiri yang tidak bergerak. Dalam kasus material kisi yang mengalami frustasi secara geometris, fungsi gelombang elektroniklah yang berinterferensi secara destruktif.

Peneliti pascadoktoral Universitas Rice, Jianwei Huang, berbagi perangkat laboratorium yang dia gunakan untuk melakukan eksperimen spektroskopi fotoemisi sudut tertentu pada paduan tembaga-vanadium. Eksperimen menunjukkan bahwa paduan tersebut adalah material pertama yang diketahui di mana struktur kristal tiga dimensi dan interaksi kuantum yang kuat menggagalkan pergerakan elektron dan menahannya di tempatnya, sehingga menghasilkan batang elektron datar. Kredit: Jeff Vitello/Universitas Rice

Lokalisasi elektron dalam logam dan semi-logam menghasilkan domain elektronik datar, atau pita datar. Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan telah menemukan bahwa susunan geometris atom dalam beberapa kristal 2D, seperti kisi Kagome, juga dapat menghasilkan pita datar. Studi baru ini memberikan bukti eksperimental tentang efek materi 3D.

Teknik canggih dan hasil luar biasa

Dengan menggunakan teknik eksperimental yang disebut spektroskopi fotoemisi sudut-resolved, atau ARPES, Ye dan penulis utama studi tersebut, Jianwei Huang, seorang peneliti pascadoktoral di labnya, merinci struktur pita tembaga-vanadium-belerang dan menemukan bahwa pita tersebut memiliki pita datar yang unik. dalam beberapa cara.

“Ternyata kedua jenis fisika itu penting dalam materi ini,” kata Yee. “Aspek frustrasi geometrik memang ada, sesuai prediksi teori. Kejutan yang menyenangkan adalah adanya efek korelasi yang menghasilkan pita datar di tingkat Fermi, yang dapat secara aktif terlibat dalam menentukan sifat fisik.”

Jianwei Huang. Kredit: Jeff Vitello/Universitas Rice

Dalam benda padat, elektron menempati keadaan kuantum yang terbagi menjadi pita-pita. Pita elektronik ini dapat dianggap sebagai anak tangga, dan tolakan elektrostatis membatasi jumlah elektron yang dapat menempati setiap anak tangga. Tingkat Fermi, sifat yang melekat pada material dan sifat penting untuk menentukan struktur pitanya, mengacu pada tingkat energi pada posisi tertinggi yang ditempati di tangga.

Wawasan teoretis dan arah masa depan

Rice adalah ahli fisika teoretis dan rekan penulis studi Kimiao Si, yang kelompok risetnya mengidentifikasi paduan tembaga-vanadium dan struktur kristal piroklorinnya sebagai inang potensial untuk efek co-frustasi dari geometri dan interaksi elektronik yang kuat, menyamakan penemuan tersebut dengan penemuan baru. benua. .

“Ini adalah karya pertama yang menunjukkan tidak hanya kolaborasi antara frustrasi teknik dan interaksi tetapi juga tahap selanjutnya, yaitu menempatkan elektron pada ruang yang sama di puncak tangga (energi), di mana terdapat peluang maksimal untuk mengaturnya kembali ke dalam fase-fase baru,” kata Si. Menarik dan berpotensi efektif.”

Dia mengatakan metodologi prediktif atau prinsip desain yang digunakan kelompok penelitiannya dalam penelitian ini mungkin juga berguna bagi para ahli teori yang mempelajari material kuantum dengan struktur kisi kristal lainnya.

“Pyrochlor bukan satu-satunya permainan di kota ini,” kata See. “Ini adalah prinsip desain baru yang memungkinkan para ahli teori untuk secara prediktif mengidentifikasi material di mana pita datar muncul karena korelasi elektronik yang kuat.”

Ada juga ruang lingkup besar untuk eksplorasi eksperimental lebih lanjut dari kristal piroklor, kata Yi.

“Ini hanyalah puncak gunung es,” tambahnya. “Ini adalah tiga dimensi, yang merupakan hal baru, dan mengingat banyaknya hasil luar biasa yang telah dibuat dalam jaringan Kagome, saya membayangkan mungkin ada penemuan yang sama atau bahkan lebih menarik yang dapat dibuat dalam bahan piroklor.”

Referensi: “Perilaku Fluida Non-Fermi dalam Kisi Pyrochlore Skala Datar” oleh Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, dan Makoto Hashimoto . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si dan Ming Yi, 26 Januari 2024, Fisika alam.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Tim peneliti terdiri dari 10 peneliti Rice dari empat laboratorium. Kelompok penelitian fisikawan Pingqing Dai menghasilkan beberapa sampel yang diperlukan untuk verifikasi eksperimental, dan kelompok penelitian Boris Jakobsson di Departemen Ilmu Material dan Teknik Nano melakukan perhitungan awal yang mengukur efek pita datar yang dihasilkan dari frustrasi geometris. Eksperimen ARPES dilakukan di Rice dan di Synchrotron Light Source II Laboratorium Nasional SLAC di California dan Sumber Cahaya Synchrotron Nasional Kedua di Brookhaven National Laboratory di New York, dan tim tersebut termasuk kolaborator dari SLAC, Brookhaven, dan Brookhaven National Institute. Universitas Washington.

Penelitian ini menggunakan sumber daya yang didukung oleh kontrak Departemen Energi (DOE) dengan SLAC (DE-AC02-76SF00515) dan didukung oleh hibah dari Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative dari Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) dan Robert A. .Yayasan Welch. Perusahaan (C-2175, C-1411, C-1839), Kantor Ilmu Energi Dasar DOE (DE-SC0018197), Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), National Science Foundation (2100741), Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) dan Program Fellows Fakultas Vannevar Bush yang dikelola ONR dari Departemen Pertahanan Kantor Riset Dasar (ONR-VB ) Nomor 00014-23-1 -2870).