Các nhà nghiên cứu từ Đại học Rice đã phát hiện ra một khoáng chất tinh thể 3D mới có khả năng giữ các electron tại chỗ do sự tương tác độc đáo giữa tương quan lượng tử và cấu trúc hình học của vật liệu. Khám phá này nêu bật vai trò của các dải điện tử phẳng trong việc xác định tính chất vật liệu và mở đường cho những khám phá sâu hơn về vật liệu lượng tử có cấu trúc mạng tinh thể pyrochlore. Tín dụng: SciTechDaily.com

Nghiên cứu mới xác nhận phương pháp phát hiện có hướng dẫn các vật liệu 3D quy mô phẳng

Các nhà khoa học tại Đại học Rice đã phát hiện ra loại vật liệu đầu tiên: kim loại tinh thể 3D trong đó mối tương quan lượng tử và hình dạng của cấu trúc tinh thể kết hợp với nhau để cản trở chuyển động của các electron và giữ chúng ở đúng vị trí.

Khám phá này được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu được công bố trên Vật lý tự nhiên. Bài viết cũng mô tả nguyên tắc thiết kế lý thuyết và phương pháp thực nghiệm đã hướng dẫn nhóm nghiên cứu tiếp cận vật liệu. Một phần đồng, hai phần vanadi và bốn phần lưu huỳnh hợp kim Nó có một mạng lưới pyrochlore 3D bao gồm các khối tứ diện chia sẻ các góc.

Sự vướng víu lượng tử và định vị electron

Đồng tác giả nghiên cứu Ming Yi, một nhà vật lý thực nghiệm tại Rice cho biết: “Chúng tôi đang tìm kiếm những vật liệu có khả năng có những trạng thái vật chất mới hoặc những đặc điểm kỳ lạ mới chưa được phát hiện”.

Vật liệu lượng tử có tiềm năng trở thành nơi nghiên cứu, đặc biệt nếu chúng chứa các tương tác điện tử mạnh dẫn đến vướng víu lượng tử. Sự vướng víu dẫn đến những hành vi điện tử kỳ lạ, bao gồm cả việc ức chế chuyển động của các electron đến mức chúng trở nên cố định tại chỗ.

Yi nói: “Hiệu ứng giao thoa lượng tử này giống như những làn sóng lăn tăn trên mặt ao và gặp nhau trực diện”. “Vụ va chạm tạo ra một sóng đứng không chuyển động. Trong trường hợp các vật liệu mạng bị suy giảm về mặt hình học, chính các hàm sóng điện tử gây giao thoa triệt tiêu.

Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Jianwei Huang của Đại học Rice đã chia sẻ một thiết bị trong phòng thí nghiệm mà ông sử dụng để thực hiện các thí nghiệm quang phổ quang phát góc cụ thể trên hợp kim đồng-vanadi. Các thí nghiệm cho thấy hợp kim này là vật liệu đầu tiên được biết đến trong đó cấu trúc tinh thể ba chiều và các tương tác lượng tử mạnh cản trở chuyển động của các electron và giữ chúng ở đúng vị trí, tạo ra một thanh electron phẳng. Nhà cung cấp hình ảnh: Jeff Vitello/Đại học Rice

Định vị điện tử trong kim loại và bán kim loại tạo ra các miền điện tử phẳng hoặc dải phẳng. Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng sự sắp xếp hình học của các nguyên tử trong một số tinh thể 2D, chẳng hạn như mạng Kagome, cũng có thể tạo ra những dải băng phẳng. Nghiên cứu mới cung cấp bằng chứng thực nghiệm về tác động của vật chất 3D.

Kỹ thuật tiên tiến và kết quả tuyệt vời

Sử dụng một kỹ thuật thí nghiệm gọi là quang phổ quang phát xạ phân giải theo góc, hay ARPES, Ye và tác giả chính của nghiên cứu Jianwei Huang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của cô, đã mô tả chi tiết cấu trúc ruy băng đồng-vanadi-lưu huỳnh và phát hiện ra rằng nó chứa một dải ruy băng phẳng độc nhất vô nhị. theo nhiều cách.

“Hóa ra cả hai loại vật lý đều quan trọng trong vật liệu này,” Yee nói. “Khía cạnh thất bại về mặt hình học là có, đúng như lý thuyết dự đoán. Điều ngạc nhiên thú vị là cũng có những hiệu ứng tương quan tạo ra dải phẳng ở cấp độ Fermi, nơi nó có thể tham gia tích cực vào việc xác định các tính chất vật lý.”

Hoàng Kiến Vệ. Nhà cung cấp hình ảnh: Jeff Vitello/Đại học Rice

Trong chất rắn, các electron chiếm các trạng thái lượng tử được chia thành các vùng. Những dải điện tử này có thể được coi như những bậc thang trên một bậc thang và lực đẩy tĩnh điện giới hạn số lượng electron có thể chiếm giữ mỗi bậc thang. Mức Fermi, một thuộc tính vốn có của vật liệu và một thuộc tính quan trọng để xác định cấu trúc dải của chúng, đề cập đến mức năng lượng của vị trí chiếm giữ cao nhất trên thang.

Những hiểu biết lý thuyết và định hướng tương lai

Rice là nhà vật lý lý thuyết và đồng tác giả nghiên cứu Kimiao Si, người có nhóm nghiên cứu đã xác định hợp kim đồng-vanadi và cấu trúc tinh thể pyrochlorine của nó là vật chủ tiềm năng cho các hiệu ứng đồng phá hủy từ hình học và tương tác điện tử mạnh, đã ví phát hiện này giống như việc tìm ra một nguyên lý mới. lục địa. .

“Đây là công trình đầu tiên chứng minh không chỉ sự hợp tác giữa sự thất bại về mặt kỹ thuật và sự tương tác mà còn là giai đoạn tiếp theo, đưa các electron vào cùng một không gian ở trên cùng của thang (năng lượng), nơi có cơ hội tối đa để sắp xếp lại chúng thành các giai đoạn mới”, Si nói. Thú vị và có khả năng hiệu quả.”

Ông cho biết phương pháp dự đoán hoặc nguyên lý thiết kế mà nhóm nghiên cứu của ông sử dụng trong nghiên cứu này cũng có thể hữu ích cho các nhà lý thuyết nghiên cứu vật liệu lượng tử với các cấu trúc mạng tinh thể khác.

“Pyrochlor không phải là trò chơi duy nhất trong thị trấn,” See nói. “Đây là một nguyên lý thiết kế mới cho phép các nhà lý thuyết xác định một cách có tính dự đoán các vật liệu trong đó các dải phẳng xuất hiện do tương quan điện tử mạnh.”

Yi cho biết, còn có phạm vi rộng lớn để khám phá thử nghiệm sâu hơn về tinh thể pyrochlore.

“Đây chỉ là phần nổi của tảng băng chìm,” cô nói thêm. “Đây là mô hình ba chiều, mới và với số lượng kết quả đáng kinh ngạc đã được tạo ra trong mạng lưới của Kagome, tôi tưởng tượng có thể có những khám phá thú vị tương đương hoặc thậm chí thú vị hơn có thể được thực hiện trong vật liệu pyrochlore.”

Tham khảo: “Hành vi chất lỏng không Fermi trong mạng Pyrochlore quy mô phẳng” của Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto, Donghui Lou, Boris I. Jacobson, Pingchen Dai, Jun-Hao Chu, Kimiao Si và Ming Yi, ngày 26 tháng 1 năm 2024, Vật lý tự nhiên.
doi: 10.1038/s41567-023-02362-3

Nhóm nghiên cứu bao gồm 10 nhà nghiên cứu Rice từ bốn phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu của nhà vật lý Pingqing Dai đã tạo ra một số mẫu cần thiết để xác minh thực nghiệm và nhóm nghiên cứu của Boris Jakobsson tại Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật nano đã thực hiện các tính toán sơ bộ nhằm định lượng các hiệu ứng dải phẳng do sự thất bại hình học. Các thí nghiệm ARPES được tiến hành tại Rice và tại Nguồn sáng Synchrotron II của Phòng thí nghiệm Quốc gia SLAC ở California và Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia thứ hai tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở New York, và nhóm nghiên cứu bao gồm các cộng tác viên từ SLAC, Brookhaven và Viện Quốc gia Brookhaven. Đại học Washington.

Nghiên cứu đã sử dụng các nguồn lực được hỗ trợ bởi hợp đồng của Bộ Năng lượng (DOE) với SLAC (DE-AC02-76SF00515) và được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ Hiện tượng mới nổi trong Sáng kiến ​​Hệ thống Lượng tử của Quỹ Gordon và Betty Moore (GBMF9470) và Robert A Quỹ Welch. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản của DOE (DE-SC0018197), Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), Quỹ Khoa học Quốc gia (2100741), Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (ONR) (N00014-22-1-2753) và Chương trình Nghiên cứu sinh của Khoa Vannevar Bush do ONR của Văn phòng Nghiên cứu Cơ bản của Bộ Quốc phòng (ONR-VB) quản lý ) Số 00014-23-1-2870).