Korrelerede elektroner tango i et perovskitoxid ved den ekstreme kvantegrænse

Et team ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fundet et sjældent kvantemateriale, hvor elektroner bevæger sig på koordinerede måder, hovedsageligt "dans". Anstrengelse af materialet skaber en elektronisk bandstruktur, der sætter scenen for eksotiske, mere tæt korreleret adfærd - svarende til tangoing - blandt Dirac -elektroner, som især er mobile elektriske ladningsbærere, der en dag muliggør hurtigere transistorer. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"Vi kombinerede korrelation og topologi i ét system, "sagde medforsker efterforsker Jong Mok Ok, som udtænkte undersøgelsen med hovedforsker Ho Nyung Lee fra ORNL. Topologi undersøger egenskaber, der bevares, selv når et geometrisk objekt undergår deformation, såsom når den er strakt eller presset. "Forskning kan vise sig at være uundværlig for fremtidige informations- og computerteknologier, "tilføjede Ok, en tidligere ORNL postdoktor.

I konventionelle materialer, elektroner bevæger sig forudsigeligt (f.eks. sløvt i isolatorer eller energisk i metaller). I kvantematerialer, hvor elektroner interagerer stærkt med hinanden, fysiske kræfter får elektronerne til at opføre sig på uventede, men korrelerede måder; en elektrons bevægelse tvinger elektroner i nærheden til at reagere.

At studere denne stramme tango i topologiske kvantematerialer, Ok førte syntesen af ​​en ekstremt stabil krystallinsk tynd film af et overgangsmetaloxid. Han og kolleger lavede filmen ved hjælp af pulserende laser-epitaxy og anstrengte den for at komprimere lagene og stabilisere en fase, der ikke eksisterer i bulkkrystal. Forskerne var de første til at stabilisere denne fase.

Ved hjælp af teori-baserede simuleringer, medforsker Narayan Mohanta, en tidligere ORNL postdoc-stipendiat, forudsagde båndstrukturen af ​​det anstrengte materiale. "I et anstrengt miljø, forbindelsen, som vi undersøgte, strontiumniobat, et perovskitoxid, ændrer sin struktur, skabe en særlig symmetri med en ny elektronbåndstruktur, "Sagde Mohanta.

Forskellige tilstande af et kvantemekanisk system kaldes "degenereret", hvis de har samme energiværdi ved måling. Elektroner er lige så tilbøjelige til at fylde hver degenererede tilstand. I dette tilfælde, den særlige symmetri resulterer i fire tilstande, der forekommer i et enkelt energiniveau.

"På grund af den særlige symmetri, degenerationen er beskyttet, "Sagde Mohanta." Dirac -elektrondispersionen, som vi fandt her, er ny i et materiale. "Han udførte beregninger med Satoshi Okamoto, som udviklede en model til at opdage, hvordan krystalsymmetri påvirker båndstrukturen.

"Tænk på et kvantemateriale under et magnetfelt som en 10-etagers bygning med beboere på hver etage, "Ok posited." Hver etage er en defineret, kvantiseret energiniveau. At øge feltstyrken ligner at trække en brandalarm, der driver alle beboerne ned i stueetagen for at mødes på et sikkert sted. I virkeligheden, den driver alle Dirac -elektronerne til et jordens energiniveau kaldet den ekstreme kvantegrænse. "

Lee tilføjede, "Begrænset her, elektronerne myldrer sammen. Deres interaktioner øges dramatisk, og deres adfærd bliver sammenkoblet og kompliceret. "Denne korrelerede elektronadfærd, en afvigelse fra et enkeltpartikelbillede, sætter scenen for uventet adfærd, såsom elektronindvikling. I sammenfiltring, en tilstand Einstein kaldte "uhyggelig handling på afstand, "flere objekter opfører sig som et. Det er nøglen til at realisere kvanteberegning.

"Vores mål er at forstå, hvad der vil ske, når elektroner kommer ind i den ekstreme kvantegrænse, hvor vi finder fænomener, vi stadig ikke forstår, "Sagde Lee." Dette er et mystisk område. "

Hurtige Dirac -elektroner holder løfte om materialer, herunder grafen, topologiske isolatorer og visse ukonventionelle superledere. ORNLs unikke materiale er et Dirac -halvmetal, hvor elektronvalens og ledningsbånd krydser hinanden og denne topologi giver overraskende adfærd. Ok ledede målinger af Dirac-semimetallets stærke elektronkorrelationer.

"Vi fandt den højeste elektronmobilitet i oxidbaserede systemer, "Ok sagde." Dette er det første oxidbaserede Dirac-materiale, der når den ekstreme kvantegrænse. "

Det lover godt for avanceret elektronik. Teori forudsiger, at det skal tage omkring 100, 000 tesla (en magnetisk måleenhed) for elektroner i konventionelle halvledere for at nå den ekstreme kvantegrænse. Forskerne tog deres stamme-konstruerede topologiske kvantemateriale til Eun Sang Choi fra National High Magnetic Field Laboratory ved University of Florida for at se, hvad det ville tage at drive elektroner til den ekstreme kvantegrænse. Der, han målte kvantesvingninger, der viste, at materialet kun ville kræve 3 tesla for at opnå det.

Andre specialiserede faciliteter gjorde det muligt for forskerne at eksperimentelt bekræfte den adfærd, som Mohanta forudsagde. Forsøgene fandt sted ved lave temperaturer, så elektroner kunne bevæge sig uden at blive stødt af atomgittervibrationer. Jeremy Levys gruppe ved University of Pittsburgh og Pittsburgh Quantum Institute bekræftede kvante transport egenskaber. Med synkrotron røntgendiffraktion, Hua Zhou ved Advanced Photon Source, en DOE Office of Science -brugerfacilitet ved Argonne National Laboratory, bekræftet, at materialets krystallografiske struktur stabiliseret i tyndfilmfasen gav den unikke Dirac-båndstruktur. Sangmoon Yoon og Andrew Lupini, begge af ORNL, udførte scanningstransmissionselektronmikroskopi-eksperimenter på ORNL, der viste, at de epitaksialt dyrkede tynde film havde skarpe grænseflader mellem lagene, og at transportadfærden var iboende for anstrengt strontiumniobat.

"Indtil nu, vi kunne ikke fuldt ud undersøge fysikken i den ekstreme kvantegrænse på grund af vanskelighederne ved at skubbe alle elektroner til et energiniveau for at se, hvad der ville ske, "Sagde Lee." Nu, vi kan skubbe alle elektronerne til denne ekstreme kvantegrænse ved kun at anvende nogle få teslaer af magnetfelt i et laboratorium, fremskynde vores forståelse af kvanteindvikling. "

Titlen på Videnskab fremskridt papir er "Correlated Oxide Dirac Semimetal in the Extreme Quantum Limit".