Cientistas descobriram uma substância estranha onde os elétrons ficam parados

Nova pesquisa valida um método para detecção guiada de materiais 3D em escala plana.

Cientistas da Rice University descobriram um material inédito: um metal cristalino 3D no qual as correlações quânticas e a geometria da estrutura cristalina se combinam para impedir o movimento dos elétrons e mantê-los no lugar.

A descoberta foi detalhada em um estudo publicado em Física da natureza. O artigo também descreve o princípio do projeto teórico e a metodologia experimental que orientou a equipe de pesquisa até o material. Uma parte de cobre, duas partes de vanádio e quatro partes de enxofre Liga Possui uma rede de pirocloro 3D que consiste em tetraedros que compartilham cantos.

Emaranhamento quântico e localização de elétrons

“Estamos à procura de materiais que tenham potencialmente novos estados da matéria ou novas características exóticas que não foram descobertas”, disse o coautor do estudo, Ming Yi, físico experimental da Rice.

Os materiais quânticos têm potencial para ser um local de pesquisa, especialmente se contiverem fortes interações eletrônicas que levem ao emaranhamento quântico. O emaranhamento leva a comportamentos eletrônicos estranhos, incluindo a inibição do movimento dos elétrons até o ponto em que eles se fixam no lugar.

“Esse efeito de interferência quântica é como ondas ondulando na superfície de um lago e se encontrando de frente”, disse Yi. “A colisão cria uma onda estacionária que não se move. No caso de materiais reticulados geometricamente frustrados, são as funções de onda eletrônica que interferem destrutivamente.

O pesquisador de pós-doutorado da Rice University, Jianwei Huang, compartilhou um dispositivo de laboratório que ele usou para realizar experimentos de espectroscopia de fotoemissão de ângulo específico em uma liga de cobre-vanádio. Experimentos mostraram que a liga é o primeiro material conhecido em que a estrutura cristalina tridimensional e as fortes interações quânticas frustram o movimento dos elétrons e os mantêm no lugar, resultando em uma barra de elétrons plana. Crédito: Jeff Vitello/Rice University

A localização de elétrons em metais e semimetais produz domínios eletrônicos planos, ou bandas planas. Nos últimos anos, os físicos descobriram que o arranjo geométrico dos átomos em alguns cristais 2D, como as redes de Kagome, também pode produzir fitas planas. O novo estudo fornece evidências experimentais do efeito na matéria 3D.

Técnicas avançadas e resultados surpreendentes

Usando uma técnica experimental chamada espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo, ou ARPES, Ye e o principal autor do estudo, Jianwei Huang, pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório, detalharam a estrutura da fita de cobre-vanádio-enxofre e descobriram que ela hospeda uma fita plana que é única. em várias formas.

“Acontece que ambos os tipos de física são importantes neste material”, disse Yee. “O aspecto da frustração geométrica estava lá, como a teoria previa. A agradável surpresa foi que também houve efeitos de correlação que produziram a banda plana no nível de Fermi, onde poderia estar ativamente envolvida na determinação das propriedades físicas.”

Jian Wei Huang. Crédito: Jeff Vitello/Rice University

Num sólido, os elétrons ocupam estados quânticos divididos em bandas. Essas bandas eletrônicas podem ser consideradas degraus de uma escada, e a repulsão eletrostática limita o número de elétrons que podem ocupar cada degrau. O nível de Fermi, uma propriedade inerente aos materiais e uma propriedade crítica para determinar sua estrutura de bandas, refere-se ao nível de energia da posição ocupada mais alta na escada.

Insights teóricos e direções futuras

Rice é um físico teórico e co-autor do estudo, Kimiao Si, cujo grupo de pesquisa identificou a liga de cobre-vanádio e sua estrutura cristalina de pirocloro como um hospedeiro potencial para efeitos combinados de frustração da geometria e fortes interações eletrônicas, comparou a descoberta a encontrar um novo continente. .

“É o primeiro trabalho que demonstra não apenas esta colaboração entre a frustração e a interação da engenharia, mas também o próximo estágio, que é fazer com que os elétrons fiquem no mesmo espaço no topo da escada (energética), onde há a oportunidade máxima de reorganizá-los em novas fases”, disse Si. Interessante e potencialmente eficaz.”

Ele disse que a metodologia preditiva ou princípio de design que seu grupo de pesquisa usou no estudo também pode ser útil para teóricos que estudam materiais quânticos com outras estruturas de rede cristalina.

“O pirocloro não é o único jogo na cidade”, disse See. “Este é um novo princípio de design que permite aos teóricos identificar de forma preditiva materiais nos quais surgem bandas planas devido a fortes correlações eletrônicas.”

Há também um grande espaço para futuras explorações experimentais de cristais de pirocloro, disse Yi.

“Esta é apenas a ponta do iceberg”, acrescentou ela. “Isto é tridimensional, o que é novo, e dado o número de resultados surpreendentes que foram obtidos nas redes de Kagome, imagino que poderia haver descobertas igualmente ou talvez ainda mais emocionantes que podem ser feitas em materiais piroclorados.”

Referência: “Comportamento de fluido não-Fermi em uma rede de pirocloro em escala plana” por Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, Dongwei Lou, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si e Ming Yi, 26 de janeiro de 2024, Física da natureza.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

A equipe de pesquisa incluiu 10 pesquisadores do Rice de quatro laboratórios. O grupo de pesquisa do físico Pingqing Dai produziu várias amostras necessárias para verificação experimental, e o grupo de pesquisa de Boris Jakobsson no Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia realizou cálculos preliminares que quantificam os efeitos de banda plana resultantes da frustração geométrica. Os experimentos ARPES foram conduzidos em Rice e na Fonte de Luz Síncrotron II do Laboratório Nacional SLAC na Califórnia e na Segunda Fonte de Luz Síncrotron Nacional no Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York, e a equipe incluiu colaboradores do SLAC, Brookhaven e Instituto Nacional de Brookhaven. universidade de Washington.

A pesquisa utilizou recursos apoiados por um contrato do Departamento de Energia (DOE) com o SLAC (DE-AC02-76SF00515) e foi apoiada por doações da Emerging Phenomena in Quantum Systems Initiative da Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470) e da Robert A Fundação Welch. Empresa (C-2175, C-1411, C-1839), Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE (DE-SC0018197), Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), a National Science Foundation (2100741), o Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) e o Vannevar Bush Faculty Fellows Program administrado pelo ONR do Departamento de Defesa do Escritório de Pesquisa Básica (ONR-VB ) Nº 00014-23-1-2870).