Kvantmaterial visar exotiska beteenden på grund av effekterna av kvantmekanik, eller hur materia verkar på den mycket små skalan av atomer och subatomära partiklar. De teknologiskt relevanta egenskaperna hos kvantmaterial är resultatet av komplexa interaktioner mellan elektronladdning, orbital, och spinn och deras koppling till materialets kristallstruktur. Till exempel, i vissa material, elektroner kan flöda fritt utan motstånd; detta fenomen, kallas supraledning, kan utnyttjas för att överföra kraft mer effektivt. Vanligtvis, dessa egenskaper dyker upp vid låg temperatur, där kristaller visar låg (trasig) strukturell symmetri.

"Inte överraskande, denna lågtemperaturregim studeras väl, sa Emil Bozin, en fysiker i röntgenspridningsgruppen vid avdelningen för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS) vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Under tiden, högtemperaturregimen förblir i stort sett outforskad eftersom den är förknippad med relativt hög symmetri, vilket anses ointressant. "

Men Bozin och kollegor har nyligen upptäckt tillstånd av lokal symmetri som bryts vid hög temperatur. Dessa lokala tillstånd är associerade med elektroniska orbitaler (regioner inom en atom där elektroner sannolikt finns) som fungerar som orbital degeneracy lift (ODL) "föregångare" till vad som händer vid låg temperatur. Orbital degenerering avser när orbitaler har samma energi. Att lyfta denna degenerering innebär att vissa orbitaler kommer att ha en relativt högre energi och andra en lägre energi.

"Vi tror att sådana lokala stater på något sätt möjliggör materialegenskaper av intresse som materialiseras vid mycket lägre temperatur, "förklarade Bozin.

Forskarna observerade först dessa lokala stater 2019 i ett material (koppar-iridiumsulfid) med en metallisolatorövergång och i en järnbaserad superledare. Nu, teamet - som representerar Brookhaven Lab; DOE:s Oak Ridge National Laboratory; University of Tennessee, Knoxville; och Columbia University - har hittat dem i en isolator som innehåller natrium, titan, kisel, och syre. Detta isolerande material är ett av mineralerna som bildar jordens övre mantel. Utöver det geologiska intresset, det är en kandidat för kvantspinnvätskor (QSL), ett exotiskt tillstånd av materia där elektronspinn förblir flytande till de lägsta temperaturerna, ständigt fluktuerande. QSL kan tillhandahålla en materialplattform för kvantberäkning, spintronics (elektronik baserad på elektronspinn snarare än laddning), supraledning, och annan teknik.

"Våra resultat tyder på att detta ODL -prekursorbeteende vid hög temperatur kan vara ganska vanligt och bör övervägas i teoretiska studier för att förstå de funktionella egenskaperna hos kvantmaterial, "sa fysikern Weiguo Yin från CMPMS Division Condensed Matter Theory Group.

För att undersöka materialets atomstruktur, teamet analyserade hur materialet sprider neutroner och röntgenstrålar. Båda sonderna behövs på grund av deras olika känslighet för specifika element baserat på atomvikt. Till skillnad från röntgenstrålar, neutroner kan skilja ljuselement, som syre. Med neutron- och röntgenspridningsmönster, det lokala arrangemanget av atomer kan härledas genom atomparfördelningsfunktionen (PDF), som beskriver avstånden mellan olika atomer i ett prov. Med hjälp av programvara, forskare kan sedan hitta den strukturella modell som bäst passar den experimentella atomära PDF -funktionen.

Deras analys avslöjade signaturer av lokal symmetri som bryter långt över temperaturen vid vilken materialet genomgår en strukturell övergång för att bilda titandimerer (två molekyler kopplade ihop). När materialet värms upp, dessa dimerer verkar försvinna, men på riktigt, de stannar kvar, utvecklas till ett dubbelt ODL -tillstånd.

"Högtemperaturen, högkristallografisk symmetritillstånd antar närvaron av orbital degenerering, men orbital degenerering kanske inte är energiskt gynnsam, "sa Bozin." Som vi ser här, dimererna byts ut, och det som återstår är en lokalt förvrängd kristallstruktur. Denna förvrängning lyfter degenereringen av två orbitaler och gör att systemet kan komma in i ett lägre energitillstånd. "

Nästa, laget planerar att skräddarsy orbitalegenskaper i detta material - till exempel genom att byta ut titan med rutenium, vilket kommer att ändra elektronräkningen och förutspås ge en bättre QSL. De kommer också att se om ODL -prekursorerna finns i andra material och hur de är relaterade till fenomen av intresse, såsom supraledning. Särskilt, de skulle vilja utforska system med olika grader av spin-orbit-koppling, vilket är en alternativ mekanism för ODL.

"Upptäckten av dessa orbitalprekursorer hjälper oss att bättre förstå konkurrensen mellan olika lågtemperaturkvanttillstånd-en förståelse som gör att vi kan luta spelplanen för att få material med önskade lågtemperaturegenskaper, sa Simon Billinge, en fysiker vid CMPMS Division X-ray Scattering Group och professor i materialvetenskap och teknik och i tillämpad fysik och matematik vid Columbia University.