Ett team som leds av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory har hittat ett sällsynt kvantmaterial där elektroner rör sig på samordnade sätt, i huvudsak "dans". Att anstränga materialet skapar en elektronisk bandstruktur som sätter scenen för exotiska, mer snävt korrelerat beteende – liknande tangoing – bland Dirac-elektroner, som är särskilt mobila elektriska laddningsbärare som en dag kan möjliggöra snabbare transistorer. Resultaten publiceras i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

"Vi kombinerade korrelation och topologi i ett system, "sa med-huvudutredaren Jong Mok Ok, som tänkte ut studien med huvudforskaren Ho Nyung Lee från ORNL. Topologi sonderar egenskaper som bevaras även när ett geometriskt objekt genomgår deformation, som när den sträcks eller kläms. "Forskningen kan visa sig oumbärlig för framtida informations- och datorteknik, " lade till Ok, en tidigare ORNL postdoktor.

I konventionella material, elektroner rör sig förutsägbart (t.ex. letargiskt i isolatorer eller energiskt i metaller). I kvantmaterial där elektroner interagerar starkt med varandra, fysiska krafter gör att elektronerna beter sig på oväntade men korrelerade sätt; en elektrons rörelse tvingar närliggande elektroner att reagera.

För att studera denna strama tango i topologiska kvantmaterial, Ok ledde syntesen av en extremt stabil kristallin tunn film av en övergångsmetalloxid. Han och kollegor gjorde filmen med pulserande laser-epitaxy och ansträngde den för att komprimera lagren och stabilisera en fas som inte existerar i bulkkristallen. Forskarna var de första att stabilisera denna fas.

Med hjälp av teoribaserade simuleringar, chefsutredare Narayan Mohanta, en tidigare postdoktor vid ORNL, förutspådde bandstrukturen hos det ansträngda materialet. "I den ansträngda miljön, föreningen som vi undersökte, strontiumniobat, en perovskitoxid, ändrar dess struktur, skapa en speciell symmetri med en ny elektronbandstruktur, " sa Mohanta.

Olika tillstånd i ett kvantmekaniskt system kallas "degenererade" om de har samma energivärde vid mätning. Det är lika troligt att elektroner fyller varje degenererat tillstånd. I detta fall, den speciella symmetrin resulterar i att fyra tillstånd uppstår i en enda energinivå.

"På grund av den speciella symmetrin, degenerationen skyddas, "Sade Mohanta." Dirac -elektrondispersionen som vi hittade här är ny i ett material. "Han utförde beräkningar med Satoshi Okamoto, som utvecklade en modell för att upptäcka hur kristallsymmetri påverkar bandstrukturen.

"Tänk på ett kvantmaterial under ett magnetfält som en 10-våningsbyggnad med invånare på varje våning, " Ok ställt. "Varje våning är en definierad, kvantiserad energinivå. Att öka fältstyrkan är som att dra ett brandlarm som driver ner alla boende till bottenvåningen för att mötas på en säker plats. I verkligheten, den driver alla Dirac -elektroner till en markenerginivå som kallas den extrema kvantgränsen. "

Lee tillade, "Inskränkt här, elektronerna tränger ihop sig. Deras interaktioner ökar dramatiskt, och deras beteende blir sammankopplat och komplicerat." Detta korrelerade elektronbeteende, en avvikelse från en enkelpartikelbild, sätter scenen för oväntat beteende, såsom elektronintrassling. I förveckling, en stat som Einstein kallade "spöklik action på avstånd, " flera objekt beter sig som ett. Det är nyckeln till att realisera kvantberäkning.

"Vårt mål är att förstå vad som kommer att hända när elektroner går in i den extrema kvantgränsen, där vi hittar fenomen som vi fortfarande inte förstår, "Sa Lee. "Detta är ett mystiskt område."

Speedy Dirac -elektroner håller löften i material inklusive grafen, topologiska isolatorer och vissa okonventionella supraledare. ORNL:s unika material är en Dirac-halvmetall, där elektronvalens och ledningsband korsar och denna topologi ger överraskande beteende. Ok ledde mätningar av Dirac semimetals starka elektronkorrelationer.

"Vi hittade den högsta elektronmobiliteten i oxidbaserade system, "Ok sa. "Detta är det första oxidbaserade Dirac-materialet som når den extrema kvantgränsen."

Det bådar gott för avancerad elektronik. Teorin förutspår att det borde ta cirka 100, 000 tesla (en magnetisk måttenhet) för elektroner i konventionella halvledare för att nå den extrema kvantgränsen. Forskarna tog sitt stamkonstruerade topologiska kvantmaterial till Eun Sang Choi från National High Magnetic Field Laboratory vid University of Florida för att se vad som skulle krävas för att driva elektroner till den extrema kvantgränsen. Där, han mätte kvantoscillationer som visar att materialet skulle kräva endast 3 tesla för att uppnå det.

Andra specialiserade anläggningar gjorde det möjligt för forskarna att experimentellt bekräfta beteendet som Mohanta förutspådde. Experimenten utfördes vid låga temperaturer så att elektroner kunde röra sig utan att stöta på sig av atomgittervibrationer. Jeremy Levys grupp vid University of Pittsburgh och Pittsburgh Quantum Institute bekräftade kvanttransportegenskaper. Med synkrotronröntgendiffraktion, Hua Zhou vid Advanced Photon Source, en användaranläggning för DOE Office of Science vid Argonne National Laboratory, bekräftade att materialets kristallografiska struktur stabiliserades i tunnfilmsfasen gav den unika Dirac -bandstrukturen. Sangmoon Yoon och Andrew Lupini, båda av ORNL, genomförde sveptransmissionselektronmikroskopiexperiment vid ORNL som visade att de epitaxiellt odlade tunna filmerna hade skarpa gränssnitt mellan skikten och att transportbeteendena var inneboende för ansträngt strontiumniobat.

"Tills nu, vi kunde inte helt utforska fysiken kring den extrema kvantgränsen på grund av svårigheterna att trycka alla elektroner till en energinivå för att se vad som skulle hända, " sa Lee. "Nu, vi kan driva alla elektroner till denna extrema kvantgräns genom att bara applicera några tesla magnetfält i ett labb, påskynda vår förståelse av kvantintrassling."

Titeln på Vetenskapliga framsteg papper är "Correlated Oxide Dirac Semimetal in the Extreme Quantum Limit".