Forstå fysikken i nye metaller

Forskere fra Paul Scherrer Institute PSI og Brookhaven National Laboratory (BNL), arbejder i et internationalt team, har udviklet en ny metode til komplekse røntgenundersøgelser, der skal hjælpe med bedre forståelse af såkaldte korrelerede metaller. Disse materialer kan vise sig nyttige til praktiske anvendelser inden for områder som superledning, databehandling, og kvantecomputere. I dag præsenterer forskerne deres arbejde i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

I stoffer som silicium eller aluminium, den gensidige frastødning af elektroner påvirker næppe materialets egenskaber. Ikke så med såkaldte korrelerede materialer, hvor elektronerne interagerer stærkt med hinanden. Bevægelsen af ​​en elektron i et korreleret materiale fører til en kompleks og koordineret reaktion af de andre elektroner. Det er netop sådanne koblede processer, der gør disse korrelerede materialer så lovende til praktiske anvendelser, og samtidig så kompliceret at forstå.

Stærkt korrelerede materialer er kandidater til nye højtemperatursuperledere, som kan lede elektricitet uden tab, og som bruges i medicin, for eksempel, ved magnetisk resonansbilleddannelse. De kan også bruges til at bygge elektroniske komponenter, eller endda kvantecomputere, hvormed data kan behandles og opbevares mere effektivt.

"Stærkt korrelerede materialer udviser et væld af fascinerende fænomener, siger Thorsten Schmitt. leder af Spectroscopy of Novel Materials Group hos PSI:"Men, det er fortsat en stor udfordring at forstå og udnytte den komplekse adfærd, der ligger bag disse fænomener." Schmitt og hans forskergruppe tackler denne opgave ved hjælp af en metode, hvortil de bruger den intense og ekstremt præcise røntgenstråling fra det schweiziske lys. Kilde SLS hos PSI. Denne moderne teknik, som er blevet videreudviklet hos PSI i de senere år, kaldes resonant uelastisk røntgenspredning, eller RIXS for kort.

Røntgenstråler exciterer elektroner

Med RIXS, bløde røntgenstråler spredes fra en prøve. Den indfaldende røntgenstråle er indstillet på en sådan måde, at den hæver elektroner fra en lavere elektronorbital til en højere orbital, hvilket betyder, at specielle resonanser ophidses. Dette bringer systemet ud af balance. Forskellige elektrodynamiske processer fører det tilbage til grundtilstanden. Noget af den overskydende energi udsendes igen som røntgenlys. Spektret af denne uelastisk spredte stråling giver information om de underliggende processer og dermed om materialets elektroniske struktur.

"I de seneste år, RIXS har udviklet sig til et kraftfuldt eksperimentelt værktøj til at dechifrere kompleksiteten af ​​korrelerede materialer, " forklarer Schmitt. Når det bruges til at undersøge korrelerede isolatorer især, det fungerer meget godt. Indtil nu, imidlertid, metoden har været mislykket til at sondere korrelerede metaller. Dens fiasko skyldtes vanskeligheden ved at fortolke de ekstremt komplicerede spektre forårsaget af mange forskellige elektrodynamiske processer under spredningen. "I den forbindelse er samarbejde med teoretikere essentielt, " forklarer Schmitt, "fordi de kan simulere de processer, der er observeret i eksperimentet."

Beregninger af korrelerede metaller

Dette er et speciale af teoretisk fysiker Keith Gilmore, tidligere fra Brookhaven National Laboratory (BNL) i USA og nu ved Humboldt University i Berlin. "Det er svært at beregne RIXS-resultaterne for korrelerede metaller, fordi du skal håndtere flere elektronorbitaler, store båndbredder, og et stort antal elektroniske interaktioner på samme tid, " siger Gilmore. Korrelerede isolatorer er nemmere at håndtere, fordi færre orbitaler er involveret; dette tillader modelberegninger, der eksplicit inkluderer alle elektroner. For at være præcis, Gilmore forklarer:"I vores nye metode til at beskrive RIXS-processerne, vi kombinerer nu de bidrag, der kommer fra excitationen af ​​en elektron med den koordinerede reaktion af alle andre elektroner."

For at teste beregningen, PSI-forskerne eksperimenterede med et stof, som BNL-forsker Jonathan Pelliciari havde undersøgt i detaljer som en del af sin doktorafhandling ved PSI:barium-jern-arsenid. Hvis du tilføjer en bestemt mængde kaliumatomer til materialet, det bliver superledende. Det tilhører en klasse af ukonventionelle højtemperaturjernbaserede superledere, der forventes at give en bedre forståelse af fænomenet. "Indtil nu, fortolkningen af ​​RIXS-målinger på sådanne komplekse materialer er hovedsageligt blevet styret af intuition. Nu giver disse RIXS-beregninger os forsøgsledere en ramme, der muliggør en mere praktisk fortolkning af resultaterne. Vores RIXS-målinger hos PSI på barium-jern-arsenid er i fremragende overensstemmelse med de beregnede profiler, " siger Pelliciari.

Kombination af eksperiment og teori

I deres eksperimenter, forskerne undersøgte fysikken omkring jernatomet. "En fordel ved RIXS er, at du kan koncentrere dig om en specifik komponent og undersøge den i detaljer for materialer, der består af flere elementer, " siger Schmitt. Den velafstemte røntgenstråle bevirker, at en indre elektron i jernatomet hæves fra grundtilstanden i kerneniveauet til det højere energi-valensbånd, som kun er delvist optaget. Denne indledende excitation af kerneelektronen kan forårsage yderligere sekundære excitationer og udløse mange komplicerede henfaldsprocesser, der i sidste ende manifesterer sig i spektrale satellitstrukturer. (Se grafik.)

Da bidragene fra de mange reaktioner nogle gange er små og tæt på hinanden, det er svært at finde ud af, hvilke processer der rent faktisk fandt sted i forsøget. Her hjælper kombinationen af ​​eksperiment og teori. "Hvis du ikke har nogen teoretisk støtte til svære eksperimenter, du kan ikke forstå processerne, det er, fysikken, i detaljer, " siger Schmitt. Det samme gælder også for teori:"Man ved ofte ikke, hvilke teorier der er realistiske, før man kan sammenligne dem med et eksperiment. Fremskridt i forståelse kommer, når eksperiment og teori bringes sammen. Denne beskrivende metode har således potentialet til at blive en reference til fortolkningen af ​​spektroskopiske eksperimenter på korrelerede metaller."

Det internationale team har offentliggjort sit arbejde i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .