En jämförelse av de teoretiska beräkningarna (översta raden) och oelastiska neutronspridningsdata från ARCS vid spallationsneutronkällan (nedre raden) visar den utmärkta överensstämmelsen mellan de två. De tre figurerna representerar olika skivor genom de fyrdimensionella spridningsvolymerna som produceras av de elektroniska excitationerna. Kredit:DOE/Argonne National Laboratory
Genom att utnyttja neutronernas egenskaper för att undersöka elektroner i en metall, ett team av forskare ledda av U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har fått ny insikt om beteendet hos korrelerade elektronsystem, som är material som har användbara egenskaper som magnetism eller supraledning.
Forskningen, att publiceras i Vetenskap , visar hur väl forskare kan förutsäga egenskaper och funktionalitet hos material, så att vi kan utforska deras potential att användas på nya sätt.
"Vårt uppdrag från Department of Energy är att upptäcka och sedan förstå nya material som kan ligga till grund för helt nya tillämpningar, " sa huvudförfattaren Ray Osborn, en senior forskare i Argonnes Neutron and X-ray Scattering Group.
Osborn och hans kollegor studerade ett starkt korrelerat elektronsystem (CePd 3 ) använder neutronspridning för att övervinna begränsningarna hos andra tekniker och avslöja hur föreningens elektriska egenskaper förändras vid höga och låga temperaturer. Osborn förväntar sig att resultaten ska inspirera till liknande forskning.
"Att med tillförsikt kunna förutsäga elektronernas beteende när temperaturen förändras borde uppmuntra en mycket mer ambitiös koppling av experimentella resultat och modeller än vad som tidigare har försökts, sa Osborn.
"I många metaller, vi anser att de mobila elektronerna som är ansvariga för elektrisk ledning rör sig oberoende av varandra, endast svagt påverkad av elektron-elektronrepulsion, " sade han. "Men, det finns en viktig klass av material där elektron-elektron-interaktioner är så starka att de inte kan ignoreras."
Forskare har studerat dessa starkt korrelerade elektronsystem i mer än fem decennier, och en av de viktigaste teoretiska förutsägelserna är att vid höga temperaturer orsakar elektroninteraktioner slumpmässiga fluktuationer som hindrar deras rörlighet.
"De blir "dåliga" metaller, sade Osborn. Men, vid låga temperaturer, de elektroniska excitationerna börjar likna normala metaller, men med mycket reducerade elektronhastigheter.
Förekomsten av denna korsning från inkoherenta slumpmässiga fluktuationer vid hög temperatur till koherenta elektroniska tillstånd vid låg temperatur hade postulerats 1985 av en av medförfattarna, Jon Lawrence, professor vid University of California, Irvine. Även om det finns vissa bevis för det i fotoemissionsexperiment, Argonnes medförfattare Stephan Rosenkranz noterade att det är mycket svårt att jämföra dessa mätningar med realistiska teoretiska beräkningar eftersom det finns för många osäkerheter i modelleringen av experimentintensiteterna.
Laget, huvudsakligen baserat på Argonne och andra DOE-laboratorier, visade att neutroner sonderar elektronerna på ett annat sätt som övervinner begränsningarna av fotoemissionsspektroskopi och andra tekniker.
Att göra detta arbete möjligt är framsteg inom neutronspektroskopi vid DOE:s Spallation Neutron Source (SNS) vid Oak Ridge National Laboratory, en användaranläggning för DOE Office of Science, och Storbritanniens ISIS Pulsed Neutron Source, som möjliggör omfattande mätningar över ett brett spektrum av energier och momentumöverföringar. Båda spelade en avgörande roll i denna studie.
"Neutroner är absolut nödvändiga för denna forskning, "Osborn sa. "Neutronspridning är den enda tekniken som är känslig för hela spektrumet av elektroniska fluktuationer i fyra dimensioner av momentum och energi, och den enda tekniken som tillförlitligt kan jämföras med realistiska teoretiska beräkningar på en absolut intensitetsskala."
Med denna studie, dessa fyrdimensionella mätningar har nu direkt jämförts med beräkningar med hjälp av nya beräkningstekniker speciellt utvecklade för starkt korrelerade elektronsystem. Tekniken, känd som Dynamical Mean Field Theory, definierar ett sätt att beräkna elektroniska egenskaper som inkluderar starka elektron-elektron-interaktioner.
Osborn erkände bidragen från Eugene Goremychkin, en tidigare Argonne-forskare som ledde dataanalysen, och Argonne-teoretikern Hyowon Park, vem som utförde beräkningarna. Överensstämmelsen mellan teori och experiment var "verkligen anmärkningsvärd, sa Osborn.
Blickar framåt, forskare är optimistiska när det gäller att överbrygga gapet mellan resultaten av fysikexperiment med kondenserad materia och teoretiska modeller.
"Hur kommer man till ett stadium där modellerna är pålitliga?" sa Osborn. "Denna artikel visar att vi nu teoretiskt kan modellera även extremt komplexa system. Dessa tekniker kan påskynda vår upptäckt av nya material."
