Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Rice ανακάλυψαν για πρώτη φορά ένα υλικό του είδους του: ένα τρισδιάστατο κρυσταλλικό μέταλλο στο οποίο οι κβαντικοί συσχετισμοί και η γεωμετρία της κρυσταλλικής δομής συνδυάζονται για να ματαιώσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων και να τα κλειδώσουν στη θέση τους.
Το εύρημα περιγράφεται λεπτομερώς σε μελέτη που δημοσιεύεται στο Nature Physics. Η δημοσίευση περιγράφει επίσης τη θεωρητική αρχή σχεδιασμού και την πειραματική μεθοδολογία που οδήγησε την ερευνητική ομάδα στο υλικό. Ένα μέρος χαλκού, δύο μέρη βαναδίου και τέσσερα μέρη θείου, το κράμα διαθέτει ένα τρισδιάστατο πυρόχλωρο πλέγμα που αποτελείται από τετράεδρα που μοιράζονται στις γωνίες.
Κβαντική διεμπλοκή και εντοπισμός ηλεκτρονίων
“Ψάχνουμε για υλικά όπου υπάρχουν δυνητικά νέες καταστάσεις της ύλης ή νέα εξωτικά χαρακτηριστικά που δεν έχουν ανακαλυφθεί”, δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Ming Yi, πειραματικός φυσικός του Rice.
Τα κβαντικά υλικά είναι ένα πιθανό μέρος προς αναζήτηση, ειδικά αν φιλοξενούν ισχυρές αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων που οδηγούν σε κβαντική διεμπλοκή. Η διεμπλοκή οδηγεί σε παράξενες ηλεκτρονικές συμπεριφορές, συμπεριλαμβανομένης της παρεμπόδισης της κίνησης των ηλεκτρονίων σε σημείο που να κλειδώνουν στη θέση τους.
“Αυτό το φαινόμενο κβαντικής παρεμβολής είναι ανάλογο με τα κύματα που κυματίζουν στην επιφάνεια μιας λίμνης και συναντιούνται μετωπικά”, δήλωσε ο Yi. “Η σύγκρουση δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα που δεν κινείται. Στην περίπτωση των γεωμετρικά απογοητευμένων υλικών πλέγματος, είναι οι ηλεκτρονικές κυματοσυναρτήσεις που αλληλεπιδρούν καταστροφικά”.
Ο Jianwei Huang με την εργαστηριακή συσκευή
Ο μεταδιδακτορικός ερευνητικός συνεργάτης του Πανεπιστημίου Rice Jianwei Huang με την εργαστηριακή συσκευή που χρησιμοποίησε για τη διεξαγωγή πειραμάτων φασματοσκοπίας φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας σε κράμα χαλκού-βανάδιου. Τα πειράματα έδειξαν ότι το κράμα είναι το πρώτο γνωστό υλικό στο οποίο η τρισδιάστατη κρυσταλλική δομή και οι ισχυρές κβαντικές αλληλεπιδράσεις ματαιώνουν την κίνηση των ηλεκτρονίων και τα κλειδώνουν στη θέση τους, με αποτέλεσμα μια επίπεδη ηλεκτρονική ζώνη. Πηγή: Jeff Fitlow/Rice University
Ο εντοπισμός των ηλεκτρονίων στα μέταλλα και τα ημιμέταλλα παράγει επίπεδες ηλεκτρονικές ζώνες, ή αλλιώς επίπεδες ζώνες. Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι η γεωμετρική διάταξη των ατόμων σε ορισμένους δισδιάστατους κρυστάλλους, όπως τα πλέγματα Kagome, μπορεί επίσης να παράγει επίπεδες ζώνες. Η νέα μελέτη παρέχει εμπειρική απόδειξη του φαινομένου σε ένα τρισδιάστατο υλικό.
Προηγμένες τεχνικές και εκπληκτικά ευρήματα
Χρησιμοποιώντας μια πειραματική τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας ή ARPES, η Yi και ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Jianwei Huang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριό της, εξέτασαν λεπτομερώς τη δομή της ζώνης του υλικού χαλκού-βανάδιου-θειού και διαπίστωσαν ότι φιλοξενεί μια επίπεδη ζώνη που είναι μοναδική με διάφορους τρόπους.
“Αποδεικνύεται ότι και οι δύο τύποι φυσικής είναι σημαντικοί σε αυτό το υλικό”, δήλωσε η Yi. “Η πτυχή της γεωμετρικής απογοήτευσης ήταν εκεί, όπως είχε προβλέψει η θεωρία. Η ευχάριστη έκπληξη ήταν ότι υπήρχαν επίσης φαινόμενα συσχέτισης που παρήγαγαν την επίπεδη ζώνη στο επίπεδο Fermi, όπου μπορεί να συμμετέχει ενεργά στον καθορισμό των φυσικών ιδιοτήτων”.
Στη στερεά ύλη, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν κβαντικές καταστάσεις που χωρίζονται σε ζώνες. Αυτές οι ηλεκτρονικές ζώνες μπορούν να φανταστούν ως σκαλοπάτια σε μια σκάλα και η ηλεκτροστατική απώθηση περιορίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που μπορούν να καταλάβουν κάθε σκαλοπάτι. Το επίπεδο Φέρμι, μια εγγενής ιδιότητα των υλικών και καθοριστική για τον προσδιορισμό της δομής των ζωνών τους, αναφέρεται στο ενεργειακό επίπεδο της υψηλότερης κατειλημμένης θέσης στη σκάλα.
Θεωρητικές γνώσεις και μελλοντικές κατευθύνσεις
Ο θεωρητικός φυσικός του Rice και συν-συγγραφέας της μελέτης Qimiao Si, η ερευνητική ομάδα του οποίου εντόπισε το κράμα χαλκού-βανάδιου και την κρυσταλλική δομή του πυροχλωρίου ως πιθανό ξενιστή για συνδυασμένα φαινόμενα απογοήτευσης από τη γεωμετρία και τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων, παρομοίασε την ανακάλυψη με την εύρεση μιας νέας ηπείρου.
“Είναι η πρώτη εργασία που δείχνει πραγματικά όχι μόνο αυτή τη συνεργασία μεταξύ γεωμετρικής και αλληλεπίδρασης που οδηγούν σε απογοήτευση, αλλά και το επόμενο στάδιο, το οποίο είναι να βρεθούν τα ηλεκτρόνια στον ίδιο χώρο στην κορυφή της (ενεργειακής) σκάλας, όπου υπάρχει μέγιστη πιθανότητα αναδιοργάνωσής τους σε ενδιαφέρουσες και δυνητικά λειτουργικές νέες φάσεις”, δήλωσε η Si.
Είπε ότι η μεθοδολογία πρόβλεψης ή η αρχή σχεδιασμού που χρησιμοποίησε η ερευνητική του ομάδα στη μελέτη μπορεί επίσης να αποδειχθεί χρήσιμη στους θεωρητικούς που μελετούν κβαντικά υλικά με άλλες δομές κρυσταλλικού πλέγματος.
“Ο πυροχλώρος δεν είναι το μοναδικό παιχνίδι στην πόλη”, δήλωσε ο Si. “Πρόκειται για μια νέα αρχή σχεδιασμού που επιτρέπει στους θεωρητικούς να εντοπίζουν προγνωστικά υλικά στα οποία προκύπτουν επίπεδες ζώνες λόγω ισχυρών ηλεκτρονικών συσχετίσεων”.
Ο Yi δήλωσε ότι υπάρχει επίσης άφθονο περιθώριο για περαιτέρω πειραματική εξερεύνηση των κρυστάλλων πυροχλωρίου.
“Αυτό είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου”, δήλωσε. “Πρόκειται για τρισδιάστατο υλικό, το οποίο είναι καινούργιο, και ακριβώς με δεδομένο πόσα εκπληκτικά ευρήματα υπήρξαν στα πλέγματα Kagome, οραματίζομαι ότι θα μπορούσαν να υπάρξουν εξίσου ή ίσως ακόμη πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις που θα μπορούσαν να γίνουν στα πυροχλωρικά υλικά”.
Στην ερευνητική ομάδα συμμετείχαν 10 ερευνητές του Rice από τέσσερα εργαστήρια. Η ερευνητική ομάδα του φυσικού Pengcheng Dai παρήγαγε τα πολλά δείγματα που χρειάζονταν για την πειραματική επαλήθευση και η ερευνητική ομάδα του Boris Yakobson στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών και Νανομηχανικής πραγματοποίησε υπολογισμούς πρώτης αρχής που ποσοτικοποίησαν τα αποτελέσματα επίπεδης ζώνης που προκαλούνται από τη γεωμετρική απογοήτευση. Τα πειράματα ARPES διεξήχθησαν στο Rice και στην Εθνική Πηγή Φωτός Συγχρότρου του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντών SLAC του Stanford στην Καλιφόρνια και στην Εθνική Πηγή Φωτός Συγχρότρου II του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στη Νέα Υόρκη, ενώ στην ομάδα συμμετείχαν συνεργάτες από το SLAC, το Brookhaven και το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον.
