Fysikere opdager en ny måde at lave mærkeligt metal på

Ved at pille ved et kvantemateriale, der er karakteriseret ved atomer arrangeret i form af en sheriffstjerne, har MIT-fysikere og -kolleger uventet opdaget en ny måde at gøre en tilstand af stof kendt som et mærkeligt metal. Mærkelige metaller er af interesse for deres usædvanlige fysik, og fordi de er blevet fundet i højtemperatur-superledere, der er nøglen til en række anvendelser.

Værket introducerer en helt ny måde at skabe og studere mærkelige metaller på, hvis elektroner opfører sig anderledes end dem i et konventionelt metal som kobber. "Det er en potentiel ny tilgang til at designe disse usædvanlige materialer," siger Joseph G. Checkelsky, hovedforsker i forskningen og lektor i fysik.

Linda Ye, MIT Ph.D. '21, er førsteforfatter til en artikel om værket offentliggjort tidligere på året i Nature Physics . "En ny måde at fremstille mærkelige metaller på vil hjælpe os med at udvikle en samlende teori bag deres adfærd. Det har været ret udfordrende til dato og kan føre til en bedre forståelse af andre materialer, herunder højtemperatur-superledere," siger Ye, nu en assisterende professor ved California Institute of Technology.

Naturfysikken papiret er ledsaget af en News &Views-artikel med titlen "En mærkelig måde at få et mærkeligt metal på."

I 2018 rapporterede Checkelsky og mange af de samme kolleger om en klasse af kvantematerialer kendt som kagome-metaller. Medlemmer af kagome-metalfamilien er sammensat af lag af atomer arrangeret i et gitter af gentagne enheder, der ligner en Davidsstjerne eller sheriffmærke. Mønsteret er også almindeligt i japansk kultur, især som et kurvefletningsmotiv.

"Vi var interesserede i Kagome-gitteret, fordi teorien viste, at det skulle være vært for en række interessante funktioner for elektroner, der sidder på det," siger Linda Ye. Faktisk rapporterede Checkelsky og kolleger, herunder Riccardo Comin og Liang Fu (også fra MIT fysik), i deres 2018-blad Ye, at deres nye Kagome-metal producerede Dirac-fermioner, næsten masseløse partikler, der ligner de fotoner, der bærer lys.

"I så fald var Dirac-fermionerne mere eller mindre forventet ud fra beregninger," siger Ye. Men de mærkelige metaller, der blev opdaget i det nuværende arbejde, var fuldstændig uventede, og "det bringer os virkelig til et nyt regime," siger hun.

Efter deres opdagelse af Dirac-fermionerne ønskede forskerne at se, om de kunne finde "et endnu mere interessant træk i Kagome-gitteret kaldet et fladt bånd," siger Ye. Dette er et fænomen, hvor elektronerne i det væsentlige står stille, selvom hver af dem stadig drejer rundt om sin egen akse.

At få elektroner til at stå stille giver dem mulighed for virkelig at tale med hinanden. Og det er, når alle de virkelig interessante ting inden for kondenseret stofs fysik sker.

Leder efter et fladt bånd

Mere specifikt ledte holdet efter et fladt bånd på Fermi-niveau, som kan opfattes som havets overflade. De fandt det og begyndte at udforske systemets elektriske egenskaber, mens det var udsat for højt tryk og et magnetfelt.

De opdagede, at elektronerne i det flade bånd interagerer stærkt med andre elektroner i systemet. Resultatet, siger Ye, kan igen sammenlignes med havet. Uforstyrrede elektroner i det flade bånd kan opfattes som et roligt hav. Når først de begynder at interagere med andre omkring dem, bliver det stille hav en rasende storm, hvor elektronerne virker på to forskellige måder. Resultatet:et mærkeligt metal.

"Vi vidste, at det flade band ville resultere i noget interessant, men vi vidste ikke præcis, hvad det ville give os. Og det, vi fandt, er et mærkeligt metal," siger Ye.

Hun bemærker, at arbejdet viser, at kagome-gitteret er et "meget vigtigt designprincip for nye elektroniske tilstande." Som følge heraf sigter hun nu mod at udvide arbejdet til andre gitter.

Opdagelsen er resultatet af mange års forskning. Ye begyndte selv at udforske kagome-systemer omkring 2015. "Det har været et langt projekt," siger hun. "Det har været ret givende at bygge dette trin for trin og finde en masse interessante ting undervejs."

Ye og Checkelskys MIT medforfattere er Shiang Fang, en MIT fysik postdoc associeret; Mingu Kang, MIT Ph.D. '23, nu på Cornell University; Yonghun Lee, en gæstende bachelorstuderende; Caolan John og Paul M. Neves, MIT kandidatstuderende i fysik; S.Y. Frank Zhao, en MIT fysik postdoc associeret; og Riccardo Comin, lektor i fysik fra Karriereudviklingsklassen i 1947.

Andre forfattere er Josef Kaufmann fra Vienna University of Technology og Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick og Eli Rotenberg, alle fra Lawrence Berkeley National Laboratory; Efthimios Kaxiras og David C. Bell fra Harvard University; og Oleg Janson fra Leibniz Institute for Solid State and Materials Research.

Flere oplysninger: Linda Ye et al, Hopping frustration-induceret fladbånd og mærkelig metallicitet i en kagome metal, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02360-5

William R. Meier, En mærkelig måde at få et mærkeligt metal på, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02416-0

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology