Ny undersøgelse validerer metode til guidet opdagelse af 3D fladbåndsmaterialer
Rice University-forskere har opdaget et første af sin slags materiale, et 3D-krystallinsk metal, hvor kvantekorrelationer og krystalstrukturens geometri kombineres for at forhindre elektronernes bevægelse og låse dem på plads.
Fundet er detaljeret beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i Nature Physics . Artiklen beskriver også det teoretiske designprincip og eksperimentelle metodologi, der guidede forskerholdet til materialet. En del kobber, to dele vanadium og fire dele svovl, legeringen har et 3D pyrochlorgitter bestående af hjørnedelte tetraedre.
"Vi leder efter materialer, hvor der er potentielt nye tilstande af stof eller nye eksotiske træk, som ikke er blevet opdaget," sagde undersøgelsens medkorresponderende forfatter Ming Yi, en Rice-eksperimentel fysiker.
Kvantematerialer er et sandsynligt sted at se, især hvis de er vært for stærke elektroninteraktioner, der giver anledning til kvantesammenfiltring. Sammenfiltring fører til mærkelig elektronisk adfærd, herunder frustrering af elektronernes bevægelse til det punkt, hvor de bliver låst på plads.
"Denne kvanteinterferenseffekt er analog med bølger, der risler hen over overfladen af en dam og møder frontalt," sagde Yi. "Kollisionen skaber en stående bølge, der ikke bevæger sig. I tilfælde af geometrisk frustrerede gittermaterialer er det de elektroniske bølgefunktioner, der forstyrrer destruktivt."
Elektronlokalisering i metaller og halvmetaller producerer flade elektroniske bånd eller flade bånd. I de senere år har fysikere fundet ud af, at det geometriske arrangement af atomer i nogle 2D-krystaller, som Kagome-gitre, også kan producere flade bånd. Det nye studie giver empirisk bevis for effekten i et 3D-materiale.
Ved at bruge en eksperimentel teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi eller ARPES, detaljerede Yi og studielederforfatter Jianwei Huang, en postdoktor i hendes laboratorium, båndstrukturen af kobber-vanadium-svovl-materialet og fandt ud af, at det var vært for et fladt bånd, der er unik på flere måder.
"Det viser sig, at begge typer fysik er vigtige i dette materiale," sagde Yi. "Det geometriske frustrationsaspekt var der, som teorien havde forudsagt. Den behagelige overraskelse var, at der også var korrelationseffekter, der producerede det flade bånd på Fermi-niveauet, hvor det aktivt kan deltage i at bestemme de fysiske egenskaber."
I faststofstof indtager elektroner kvantetilstande, der er opdelt i bånd. Disse elektroniske bånd kan forestilles som trin på en stige, og elektrostatisk frastødning begrænser antallet af elektroner, der kan optage hvert trin. Fermi-niveau, en iboende egenskab ved materialer og en afgørende egenskab for at bestemme deres båndstruktur, refererer til energiniveauet for den højeste besatte position på stigen.
Ris-teoretisk fysiker og studie med-korresponderende forfatter Qimiao Si, hvis forskergruppe identificerede kobber-vanadium-legeringen og dens pyrochlorkrystalstruktur som værende en mulig vært for kombinerede frustrationseffekter fra geometri og stærke elektroninteraktioner, sammenlignede opdagelsen med at finde et nyt kontinent .
"Det er det allerførste arbejde, der virkelig viser ikke kun dette samarbejde mellem geometrisk- og interaktionsdrevet frustration, men også det næste trin, som er at få elektroner til at være i det samme rum øverst på (energi)stigen, hvor der er en maksimal chance for deres reorganisering til interessante og potentielt funktionelle nye faser," sagde Si.
Han sagde, at den forudsigende metodologi eller designprincip, som hans forskningsgruppe brugte i undersøgelsen, også kan vise sig nyttig for teoretikere, der studerer kvantematerialer med andre krystalgitterstrukturer.
"Pyrochloret er ikke det eneste spil i byen," sagde Si. "Dette er et nyt designprincip, der gør det muligt for teoretikere at forudsigeligt identificere materialer, hvor flade bånd opstår på grund af stærke elektronkorrelationer."
Yi forklarede, at der også er masser af plads til yderligere eksperimentel udforskning af pyrochlorkrystaller.
"Dette er kun toppen af isbjerget," sagde hun. "Dette er 3D, hvilket er nyt, og netop i betragtning af hvor mange overraskende fund der har været på Kagome-gitre, forestiller jeg mig, at der kunne være lige så eller måske endda flere spændende opdagelser at gøre i pyrochlormaterialerne."
Forskerholdet omfattede 10 risforskere fra fire laboratorier. Fysiker Pengcheng Dais forskergruppe producerede de mange prøver, der var nødvendige for eksperimentel verifikation, og Boris Yakobsons forskergruppe i Institut for Materialevidenskab og NanoEngineering udførte første-principberegninger, der kvantificerede fladbåndseffekterne frembragt af geometrisk frustration.
ARPES-eksperimenter blev udført på Rice og på SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource i Californien og Brookhaven National Laboratory's National Synchrotron Light Source II i New York, og holdet inkluderede samarbejdspartnere fra SLAC, Brookhaven og University of Washington.
Flere oplysninger: Jianwei Huang et al., Non-Fermi væskeadfærd i et korreleret fladbåndet pyrochlorgitter, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02362-3
Journaloplysninger: Naturfysik
Leveret af Rice University
Varme artikler
-
Forskere opfandt metode til at fange bakterier med fotonisk krogEn asymmetrisk nanopartikel, der udsender fotonisk krog Kredit:ITMO University Et internationalt forskerhold har opdaget en ny type buet lysstråle kaldet en fotonisk krog. Fotoniske kroge er unikk -
Række, række, række dine bots:Men er de synkroniseret?Kredit:CC0 Public Domain For at få maksimal fremdrift, skal en båds hold roere sætte deres slag til den samme rytme? Eller skal roerne forskudte årernes fald og træk gennem vandet? Atleter og fors -
Forskere forklarer, hvordan bladspidsen forbedrer vanddræningenKinesiske videnskabsmænd fra det tekniske institut for fysisk kemi ved det kinesiske videnskabsakademi har for nylig vist, hvordan den lille topstruktur i planteblade styrer vanddræning og giver en ev -
Afklaring af plasmasvingninger ved hjælp af højenergipartiklerLHD-højenergipartikler cirkulerer inde i et plasma, der er formet som en snoet doughnut, og de forårsager plasmasvingninger. I særdeleshed, når cirkulationsperioden og plasmaoscillationens periode mat
- Hvordan bruger vi naturgas til at opfylde vores energibehov?
- Microarray hurtig test fremskynder opdagelse under et Legionella pneumophila -udbrud
- Sådan finder du hældningen af en linje givet 2 point
- Forskere udvikler ensrettet gade for elektroner
- Kvanteudsving opretholder rekordsuperlederen
- Ekson: Definition, funktion og betydning i RNA-splejsning