מדענים מגלים חומר מוזר שבו האלקטרונים עומדים במקום

מחקר חדש מאמת שיטה לגילוי מודרך של חומרי פס שטוח תלת מימדיים.

מדענים מאוניברסיטת רייס חשפו חומר ראשון מסוגו: מתכת גבישית תלת מימדית שבה מתאמים קוונטיים וגיאומטריה של מבנה הגביש משתלבים כדי לסכל את תנועת האלקטרונים ולנעול אותם במקומם.

הממצא מפורט במחקר שפורסם ב פיזיקת הטבע. המאמר מתאר גם את עקרון התכנון התיאורטי ואת המתודולוגיה הניסויית שהנחו את צוות המחקר לחומר. חלק אחד נחושת, שני חלקים ונדיום, וארבעה חלקים גופרית, ה סַגסוֹגֶת כולל סריג פירוכלור תלת מימדי המורכב מטטרה-הדרה המשותפת בפינה.

הסתבכות קוונטית ולוקליזציה של אלקטרונים

"אנחנו מחפשים חומרים שבהם יש מצבים פוטנציאליים חדשים של חומר או תכונות אקזוטיות חדשות שלא התגלו", אמר הסופר השותף למחקר מינג יי, פיזיקאי ניסיוני של רייס.

חומרים קוונטיים הם מקום סביר לחפש בו, במיוחד אם הם מארחים אינטראקציות אלקטרוניות חזקות שמובילות להסתבכות קוונטית. הסתבכות מובילה להתנהגויות אלקטרוניות מוזרות, כולל תסכול תנועת האלקטרונים עד לנקודה שבה הם ננעלים במקומם.

"אפקט ההפרעה הקוונטית הזה מקביל לגלים המתפתלים על פני השטח של בריכה ונפגשים חזיתית", אמר יי. "ההתנגשות יוצרת גל עומד שאינו זז. במקרה של חומרי סריג מתוסכלים מבחינה גיאומטרית, אלו פונקציות הגל האלקטרוני שמפריעות באופן הרסני".

לוקליזציה של אלקטרונים במתכות ובמתכות למחצה מייצרת פסים אלקטרוניים שטוחים, או פסים שטוחים. בשנים האחרונות, פיזיקאים גילו שהסידור הגיאומטרי של אטומים בחלק מהגבישים הדו-ממדיים, כמו סריגי קגומה, יכול לייצר גם פסים שטוחים. המחקר החדש מספק עדויות אמפיריות להשפעה בחומר תלת מימדי.

טכניקות מתקדמות וממצאים מפתיעים

באמצעות טכניקה ניסויית שנקראת ספקטרוסקופיה פוטו-פליטה עם פתרון זווית, או ARPES, Yi והמחבר הראשי של המחקר Jianwei Huang, חוקרת פוסט-דוקטורט במעבדתה, פירטו את מבנה הרצועה של חומר הנחושת-ונדיום-גופרית ומצאו שהוא מארח פס שטוח שהוא ייחודי בכמה דרכים.

"מסתבר ששני סוגי הפיזיקה חשובים בחומר הזה", אמר יי. "היבט התסכול הגיאומטרי היה שם, כפי שהתיאוריה חזתה. ההפתעה הנעימה הייתה שהיו גם השפעות מתאם שייצרו את הרצועה השטוחה ברמת פרמי, שבה היא יכולה להשתתף באופן פעיל בקביעת התכונות הפיזיקליות".

בחומר מוצק, אלקטרונים תופסים מצבים קוונטיים המחולקים לרצועות. ניתן לדמיין את הרצועות האלקטרוניות הללו כשלבים על סולם, ודחייה אלקטרוסטטית מגבילה את מספר האלקטרונים שיכולים לתפוס כל שלב. רמת פרמי, תכונה אינהרנטית של חומרים ותכונה מכרעת לקביעת מבנה הרצועה שלהם מתייחסת לרמת האנרגיה של המיקום הגבוה ביותר בסולם.

תובנות תיאורטיות וכיוונים עתידיים

פיסיקאי תיאורטי אורז ומחקר שותף מתכתב, Qimiao Si, שקבוצת המחקר שלו זיהתה את סגסוגת הנחושת-ונדיום ואת מבנה גבישי הפירוקור שלה כמארח אפשרי להשפעות תסכול משולבות מגיאומטריה ואינטראקציות אלקטרוניות חזקות, השווה את הגילוי למציאת יבשת חדשה .

"זו העבודה הראשונה שבאמת מציגה לא רק את שיתוף הפעולה הזה בין תסכול גיאומטרי ותסכול מונחה אינטראקציה אלא גם את השלב הבא, שגורם לאלקטרונים להיות באותו חלל בראש הסולם (האנרגיה), שבו יש הסיכוי המרבי שלהם להתארגן מחדש לשלבים חדשים מעניינים ובעלי פוטנציאל פונקציונליות", אמר סי.

הוא אמר שהמתודולוגיה הניבוי או עקרון העיצוב שקבוצת המחקר שלו השתמשה בהם במחקר עשויה להוכיח שימוש גם לתיאורטיקנים שחוקרים חומרים קוונטיים עם מבני סריג גבישי אחרים.

"הפירוכלור הוא לא המשחק היחיד בעיר," אמר סי. "זהו עיקרון עיצוב חדש המאפשר לתיאורטיקנים לזהות באופן חיזוי חומרים שבהם נוצרות פסים שטוחים עקב מתאמי אלקטרונים חזקים."

יי אמר שיש גם הרבה מקום לחקר ניסוי נוסף של גבישי פירוכלור.

"זה רק קצה הקרחון", אמרה. "זהו תלת-ממד, שהוא חדש, ובדיוק בהתחשב בכמה ממצאים מפתיעים היו על סריגי קגומה, אני מדמיין שייתכן שיהיו תגליות מרגשות באותה מידה או אולי אפילו יותר מרגשות בחומרי הפירוקור."

צוות המחקר כלל 10 חוקרי רייס מארבע מעבדות. קבוצת המחקר של הפיזיקאי Pengcheng Dai הפיקה את הדגימות הרבות הדרושות לאימות ניסיוני, וקבוצת המחקר של בוריס יעקובסון במחלקה למדעי החומרים והננו-הנדסה ביצעה חישובי עיקרון ראשון שכמתו את השפעות הפס השטוח שנוצר על ידי תסכול גיאומטרי. ניסויי ARPES נערכו ב-Rice וב-Stanford Synchrotron Radiation Lightsource של מעבדת ה-SLAC National Accelerator בקליפורניה וב-National Synchrotron Light Source II של המעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק, והצוות כלל משתפי פעולה מ-SLAC, ברוקהייבן וה- אוניברסיטת וושינגטון.

המחקר השתמש במשאבים שנתמכו על ידי חוזה של משרד האנרגיה (DOE) ל-SLAC (DE-AC02-76SF00515) ונתמך על ידי מענקים מ-Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative של קרן גורדון ובטי מור (GBMF9470), רוברט א. וולש. קרן (C-2175, C-1411, C-1839), המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של ה-DOE (DE-SC0018197), משרד חיל האוויר למחקר מדעי (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1- 0356), הקרן הלאומית למדע (2100741), המשרד למחקר ימי (ONR) (N00014-22-1-2753) ותוכנית עמיתי הפקולטה של ​​Vannevar Bush בניהול ONR של משרד המחקר הבסיסי של מחלקת ההגנה (ONR-VB N00014-23-1-2870).