Los científicos han descubierto una extraña sustancia donde los electrones permanecen quietos

Una nueva investigación valida un método para la detección guiada de materiales 3D a escala plana.

Científicos de la Universidad Rice han descubierto un material único en su tipo: un metal cristalino tridimensional en el que las correlaciones cuánticas y la geometría de la estructura cristalina se combinan para frustrar el movimiento de los electrones y mantenerlos en su lugar.

El descubrimiento fue detallado en un estudio publicado en Física de la naturaleza. El artículo también describe el principio de diseño teórico y la metodología experimental que guiaron al equipo de investigación hasta el material. Una parte de cobre, dos partes de vanadio y cuatro partes de azufre. Aleación Cuenta con una red de pirocloro 3D que consta de tetraedros que comparten esquinas.

Entrelazamiento cuántico y localización de electrones.

«Estamos buscando materiales que potencialmente tengan nuevos estados de la materia o nuevas características exóticas que no hayan sido descubiertas», dijo el coautor del estudio Ming Yi, físico experimental de Rice.

Los materiales cuánticos tienen el potencial de ser un lugar para la investigación, especialmente si contienen fuertes interacciones electrónicas que conducen al entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento conduce a comportamientos electrónicos extraños, incluida la inhibición del movimiento de los electrones hasta el punto en que quedan fijos en su lugar.

«Este efecto de interferencia cuántica es como ondas que se extienden por la superficie de un estanque y se encuentran de frente», dijo Yi. «La colisión crea una onda estacionaria que no se mueve. En el caso de materiales reticulares geométricamente frustrados, son las funciones de onda electrónica las que interfieren destructivamente.

El investigador postdoctoral de la Universidad Rice, Jianwei Huang, compartió un dispositivo de laboratorio que utilizó para realizar experimentos de espectroscopía de fotoemisión de ángulos específicos en una aleación de cobre y vanadio. Los experimentos demostraron que la aleación es el primer material conocido en el que la estructura cristalina tridimensional y las fuertes interacciones cuánticas frustran el movimiento de los electrones y los mantienen en su lugar, lo que da como resultado una barra de electrones plana. Crédito: Jeff Vitello/Universidad Rice

La localización de electrones en metales y semimetales produce dominios electrónicos planos o bandas planas. En los últimos años, los físicos han descubierto que la disposición geométrica de los átomos en algunos cristales 2D, como las redes de Kagome, también puede producir cintas planas. El nuevo estudio proporciona evidencia experimental del efecto en la materia 3D.

Técnicas avanzadas y resultados sorprendentes.

Utilizando una técnica experimental llamada espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, o ARPES, Ye y el autor principal del estudio, Jianwei Huang, investigador postdoctoral en su laboratorio, detallaron la estructura de la cinta de cobre, vanadio y azufre y descubrieron que alberga una cinta plana que es única. de varias maneras.

«Resulta que ambos tipos de física son importantes en este material», dijo Yee. «El aspecto de frustración geométrica estaba ahí, como predijo la teoría. La agradable sorpresa fue que también hubo efectos de correlación que produjeron la banda plana en el nivel de Fermi, donde podría participar activamente en la determinación de las propiedades físicas».

Jian Wei Huang. Crédito: Jeff Vitello/Universidad Rice

En un sólido, los electrones ocupan estados cuánticos divididos en bandas. Estas bandas electrónicas pueden considerarse como peldaños de una escalera, y la repulsión electrostática limita la cantidad de electrones que pueden ocupar cada peldaño. El nivel de Fermi, una propiedad inherente de los materiales y una propiedad crítica para determinar su estructura de bandas, se refiere al nivel de energía de la posición ocupada más alta en la escalera.

Ideas teóricas y direcciones futuras.

Rice es física teórica y coautora del estudio, Kimiao Si, cuyo grupo de investigación identificó la aleación de cobre-vanadio y su estructura cristalina de pirocloro como un anfitrión potencial de efectos de co-frustración debido a la geometría y las fuertes interacciones electrónicas, comparó el descubrimiento con el hallazgo de una nueva continente. .

“Es el primer trabajo que demuestra no sólo esta colaboración entre la frustración de la ingeniería y la interacción, sino también la siguiente etapa, que es lograr que los electrones estén en el mismo espacio en la parte superior de la escala (de energía), donde existe la máxima oportunidad de reorganizarlos en nuevas fases”, dijo Si. Interesante y potencialmente efectivo.»

Dijo que la metodología predictiva o principio de diseño que su grupo de investigación utilizó en el estudio también puede ser útil para los teóricos que estudian materiales cuánticos con otras estructuras de red cristalina.

“El pirocloro no es el único juego que existe”, dijo See. «Se trata de un nuevo principio de diseño que permite a los teóricos identificar de forma predictiva materiales en los que surgen bandas planas debido a fuertes correlaciones electrónicas».

También hay un gran margen para una mayor exploración experimental de cristales de pirocloro, dijo Yi.

«Esto es sólo la punta del iceberg», añadió. «Esto es tridimensional, lo cual es nuevo, y dada la cantidad de resultados sorprendentes que se han logrado en las redes de Kagome, imagino que podrían realizarse descubrimientos igual o incluso más emocionantes en materiales de pirocloro».

Referencia: “Comportamiento de fluidos no Fermi en una red de pirocloro a escala plana” por Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo y Makoto Hashimoto . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si y Ming Yi, 26 de enero de 2024. Física de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

El equipo de investigación incluyó a 10 investigadores de Rice de cuatro laboratorios. El grupo de investigación del físico Pingqing Dai produjo varias muestras necesarias para la verificación experimental, y el grupo de investigación de Boris Jakobsson en el Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería realizó cálculos preliminares que cuantifican los efectos de banda plana resultantes de la frustración geométrica. Los experimentos ARPES se llevaron a cabo en Rice y en la Fuente de Luz Sincrotrón II del Laboratorio Nacional SLAC en California y la Segunda Fuente de Luz Sincrotrón Nacional en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, y el equipo incluyó colaboradores de SLAC, Brookhaven y el Instituto Nacional Brookhaven. Universidad de Washington.

La investigación utilizó recursos respaldados por un contrato del Departamento de Energía (DOE) con SLAC (DE-AC02-76SF00515) y fue respaldada por subvenciones de la Iniciativa de Fenómenos Emergentes en Sistemas Cuánticos de la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF9470) y la Fundación Robert A. Fundación Welch. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE (DE-SC0018197), Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), la Fundación Nacional de Ciencias (2100741), la Oficina de Investigación Naval (ONR) (N00014-22-1-2753) y el Programa de becarios de la facultad Vannevar Bush administrado por la ONR de la Oficina de Investigación Básica del Departamento de Defensa (ONR-VB ) N° 00014-23-1-2870).