اكتشف العلماء مادة غريبة حيث تقف الإلكترونات ساكنة

بحث جديد يتحقق من صحة طريقة الاكتشاف الموجه للمواد ثلاثية الأبعاد ذات النطاق المسطح.

اكتشف العلماء في جامعة رايس مادة هي الأولى من نوعها: معدن بلوري ثلاثي الأبعاد تتحد فيه الارتباطات الكمومية وهندسة البنية البلورية لإحباط حركة الإلكترونات وتثبيتها في مكانها.

تم تفصيل الاكتشاف في دراسة نشرت في فيزياء الطبيعة. تصف الورقة أيضًا مبدأ التصميم النظري والمنهجية التجريبية التي وجهت فريق البحث إلى المادة. جزء واحد من النحاس، وجزءان من الفاناديوم، وأربعة أجزاء من الكبريت سبيكة يتميز بشبكة بيروكلور ثلاثية الأبعاد تتكون من رباعيات الأسطح التي تتقاسم الزوايا.

التشابك الكمي وتوطين الإلكترون

وقال المؤلف المشارك في الدراسة مينغ يي، عالم الفيزياء التجريبية في رايس: “نحن نبحث عن المواد التي يحتمل أن تكون فيها حالات جديدة للمادة أو ميزات غريبة جديدة لم يتم اكتشافها”.

من المحتمل أن تكون المواد الكمومية مكانًا للبحث، خاصة إذا كانت تحتوي على تفاعلات إلكترونية قوية تؤدي إلى التشابك الكمي. ويؤدي التشابك إلى سلوكيات إلكترونية غريبة، بما في ذلك إحباط حركة الإلكترونات إلى النقطة التي تصبح فيها ثابتة في مكانها.

وقال يي: “إن تأثير التداخل الكمي هذا يشبه الموجات المتموجة عبر سطح البركة وتلتقي وجهاً لوجه”. “إن الاصطدام يخلق موجة واقفة لا تتحرك. وفي حالة المواد الشبكية المحبطة هندسيًا، فإن وظائف الموجة الإلكترونية هي التي تتداخل بشكل مدمر.

قام باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة رايس بمشاركة جيانوي هوانغ مع جهاز المختبر الذي استخدمه لإجراء تجارب التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي بزاوية محددة على سبيكة النحاس والفاناديوم. وأظهرت التجارب أن السبيكة هي أول مادة معروفة يقوم فيها الهيكل البلوري ثلاثي الأبعاد والتفاعلات الكمومية القوية بإحباط حركة الإلكترونات وتثبيتها في مكانها، مما ينتج عنه شريط إلكتروني مسطح. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

يؤدي توطين الإلكترون في المعادن وشبه المعادن إلى إنتاج نطاقات إلكترونية مسطحة، أو نطاقات مسطحة. في السنوات الأخيرة، اكتشف الفيزيائيون أن الترتيب الهندسي للذرات في بعض البلورات ثنائية الأبعاد، مثل شبكات كاجومي، يمكن أن ينتج أيضًا أشرطة مسطحة. تقدم الدراسة الجديدة دليلاً تجريبيًا على التأثير في مادة ثلاثية الأبعاد.

تقنيات متقدمة ونتائج مذهلة

باستخدام تقنية تجريبية تسمى التحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية ذات الزاوية المحددة، أو ARPES، قامت يي والمؤلفة الرئيسية للدراسة جيانوي هوانغ، وهي باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبرها، بتفصيل بنية الشريط من مادة النحاس والفاناديوم والكبريت ووجدت أنها تستضيف شريطًا مسطحًا فريدة من نوعها بعدة طرق.

وقال يي: “اتضح أن كلا النوعين من الفيزياء مهمان في هذه المادة”. “كان جانب الإحباط الهندسي موجودًا، كما تنبأت النظرية. وكانت المفاجأة السارة هي أن هناك أيضًا تأثيرات ارتباطية أنتجت الشريط المسطح على مستوى فيرمي، حيث يمكن أن يشارك بشكل فعال في تحديد الخصائص الفيزيائية.

جيانوي هوانغ. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

في المادة الصلبة، تحتل الإلكترونات حالات كمية مقسمة إلى نطاقات. ويمكن تصور هذه النطاقات الإلكترونية على أنها درجات على سلم، ويحد التنافر الكهروستاتيكي من عدد الإلكترونات التي يمكن أن تشغل كل درجة. يشير مستوى فيرمي، وهو خاصية متأصلة في المواد وخاصية حاسمة لتحديد بنية النطاق الخاصة بها، إلى مستوى الطاقة لأعلى موضع مشغول على السلم.

رؤى نظرية وتوجهات مستقبلية

رايس هو عالم فيزياء نظرية ومؤلف مشارك في الدراسة، كيمياو سي، الذي حددت مجموعته البحثية سبيكة النحاس والفاناديوم وبنيتها البلورية البيروكلورية باعتبارها مضيفًا محتملاً لتأثيرات الإحباط المشتركة من الهندسة والتفاعلات الإلكترونية القوية، شبه الاكتشاف بإيجاد قارة جديدة. .

“إنه العمل الأول الذي يوضح ليس فقط هذا التعاون بين الإحباط الناتج عن الهندسة والتفاعل ولكن أيضًا المرحلة التالية، وهي جعل الإلكترونات موجودة في نفس المساحة في أعلى سلم (الطاقة)، ​​حيث يوجد قال سي: “الفرصة القصوى لإعادة تنظيمهم في مراحل جديدة مثيرة للاهتمام ويحتمل أن تكون فعالة”.

وقال إن المنهجية التنبؤية أو مبدأ التصميم الذي استخدمته مجموعته البحثية في الدراسة قد يكون مفيدًا أيضًا للنظريين الذين يدرسون المواد الكمومية مع هياكل شبكية بلورية أخرى.

قال سي: “إن البيروكلور ليس اللعبة الوحيدة في المدينة”. “هذا مبدأ تصميم جديد يسمح للنظريين بالتعرف بشكل تنبؤي على المواد التي تنشأ فيها النطاقات المسطحة بسبب الارتباطات الإلكترونية القوية.”

وقال يي إن هناك أيضًا مجالًا كبيرًا لمزيد من الاستكشاف التجريبي لبلورات البيروكلور.

وأضافت: “هذا مجرد غيض من فيض”. “هذا ثلاثي الأبعاد، وهو أمر جديد، وبالنظر إلى عدد النتائج المدهشة التي تم التوصل إليها في شبكات Kagome، فأنا أتصور أنه يمكن أن يكون هناك اكتشافات مساوية أو ربما أكثر إثارة يمكن إجراؤها في مواد البيروكلور.”

المرجع: “سلوك السائل غير فيرمي في شبكة بيروكلور مسطحة ذات نطاق مسطح” بقلم جيانوي هوانغ، ولي تشن، ويوفي هوانغ، وتشاندان سيتي، وبين جاو، ويوي شي، وتشاويو ليو، وييتشين تشانغ، وتورغوت يلماز، وإيليو فيسكوفو، وماكوتو هاشيموتو ، دونغوي لو، بوريس آي. ياكوبسون، بينجتشنغ داي، جيون-هاو تشو، كيمياو سي ومينغ يي، 26 يناير 2024، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-023-02362-3

وضم فريق البحث 10 باحثين من رايس من أربعة مختبرات. أنتجت مجموعة بحث الفيزيائي بينجتشينج داي العديد من العينات اللازمة للتحقق التجريبي، وأجرت مجموعة بحث بوريس ياكوبسون في قسم علوم المواد وهندسة النانو حسابات مبدئية تحدد كمية تأثيرات النطاق المسطح الناتجة عن الإحباط الهندسي. تم إجراء تجارب ARPES في رايس وفي مصدر ضوء إشعاع السنكروترون التابع لمختبر SLAC الوطني في كاليفورنيا ومصدر ضوء السنكروترون الوطني الثاني التابع لمختبر بروكهافن الوطني في نيويورك، وضم الفريق متعاونين من SLAC وBrookhaven ومعهد بروكهافن الوطني. جامعة واشنطن.

استخدم البحث الموارد المدعومة بعقد وزارة الطاقة (DOE) مع SLAC (DE-AC02-76SF00515) وتم دعمه بمنح من مبادرة الظواهر الناشئة في أنظمة الكم التابعة لمؤسسة Gordon and Betty Moore (GBMF9470)، ومؤسسة Robert A. Welch. المؤسسة (C-2175، C-1411، C-1839)، مكتب علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة (DE-SC0018197)، مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (FA9550-21-1-0343، FA9550-21-1-) 0356)، والمؤسسة الوطنية للعلوم (2100741)، ومكتب البحوث البحرية (ONR) (N00014-22-1-2753) وبرنامج زملاء هيئة التدريس فانيفار بوش الذي يديره ONR التابع لمكتب البحوث الأساسية التابع لوزارة الدفاع (ONR-VB) رقم 00014-23-1-2870).