Elektron-par opdagelse fremmer felt af kvantematerialer

I 2016, fysiker J.C. Séamus Davis opdagede en undvigende tilstand af kvantestof i cuprates, som er kobberoxidmaterialer bundet med andre atomer. Det lancerede et nyt underfelt i undersøgelsen af ​​kvantematerialer.

Men om dette var et unikt fænomen i cuprates eller en universel og vigtig egenskab ved naturen forblev uvist - indtil nu.

Ved at bruge en forbedret version af den radikalt nye kvantemikroskopteknologi, han udviklede til dette formål, Davis og hans team har nu fundet den samme eksotiske tilstand af kvantestof i en meget brugt og konventionel type materiale, overgangsmetal dicalcogenides (TMD).

Deres papir, "Opdagelse af en Cooper-par-densitetsbølgetilstand i et overgangsmetal Dichalcogenid, " udgivet 25. juni i Videnskab . Medforfattere inkluderer Cornell postdoc-stipendiater Xiaolong Liu og Yi Xue Chong, og Rahul Sharma, Ph.d. '20, en postdoc ved University of Maryland.

Cooper-par-densitetsbølger er en form for eksotisk kvantestof, hvor par af elektroner - i stedet for at danne en konventionel "superleder, "hvor alle er i den samme frit bevægelige tilstand - fryse til en elektronparkrystal, også kendt som en tilstand med pardensitetsbølge (PDW).

Opdagelsen af, at PDW'er findes i standardmaterialer som TMD'er, er spændende, Davis sagde, fordi de giver en rig platform for opdagelse af nye tilstande af kvantestof og for udvikling af nye teknologier.

"Undersøgelsen af ​​TMD-materialer er for nylig blevet et af de hotteste emner inden for kondenseret stofs fysik, " sagde Davis, James Gilbert White Distinguished Professor Emeritus of Physics i College of Arts and Sciences (A&S), som også har professorater ved University of Oxford, i England, og University College Cork, i Irland. "Der er hundredvis af disse materialer i verden, og de er meget udbredt i teknologi eller forskning, inklusive af flere grupper hos Cornell."

Davis slog sin egen rekord for rumlig opløsning med det scannende Josephson tunnelmikroskop, han opfandt, forbedre det i denne undersøgelse med en faktor på omkring 100 (fra nanometer ned til omkring 10 picometer). Han øgede også billeddannelseseffektiviteten med en faktor på omkring 250, reducere Josephson junction array billedopsamlingstider fra en måned ned til et par timer.

Fordi mikroskopet er ekstremt følsomt over for vibrationer og over for akustisk og mekanisk støj og derfor er designet til at fungere uden mennesker i laboratoriet, Davis sagde, at pandemien havde minimal indvirkning på dens brug til forskningen.

"Hvis alle forberedelser er lavet korrekt, du trykker på knappen og mikroskopet udfører meget stille sit arbejde uden nogen i laboratoriet. Mikroskopet gemmer billedet og advarer dig, når det er færdigt, " sagde Davis. "Hvert individuelt eksperiment er omkring 10 dage, selvom hele den eksperimentelle kampagne tager år."

TMD-opdagelsen vil være en velsignelse for de mange fysikere hos Cornell, der laver banebrydende forskning i kvantematerialer, Davis sagde, "herunder teoretikere som Eun-Ah Kim [professor i fysik i A&S], hvis teorier om denne eksotiske tilstand af stof nu kan udsættes for eksperimentelle tests."

Arbejdet blev finansieret af Gordon og Betty Moore Foundation, som Davis sagde også finansierede udviklingen af ​​det scannende Josephson-tunnelmikroskop, når ingen andre ville.

"Man troede, at et sådant mikroskop var ekstremt svært, hvis ikke umuligt at implementere, " sagde Davis, "men Moore Foundation tog risikoen. De fortjener en stor del af æren for denne nye kvantestofvisualiseringsteknologi."