Genom att mixtra med ett kvantmaterial som kännetecknas av atomer arrangerade i form av en sheriffstjärna, har MIT-fysiker och kollegor oväntat upptäckt ett nytt sätt att göra ett tillstånd av materia känt som en konstig metall. Konstiga metaller är intressanta för sin ovanliga fysik och för att de har hittats i högtemperatursupraledare som är nyckeln till en mängd olika tillämpningar.
Verket introducerar ett helt nytt sätt att skapa och studera konstiga metaller, vars elektroner beter sig annorlunda än de i en konventionell metall som koppar. "Det är ett potentiellt nytt tillvägagångssätt för att designa dessa ovanliga material", säger Joseph G. Checkelsky, huvudforskare för forskningen och docent i fysik.
Linda Ye, MIT Ph.D. '21, är första författare till en artikel om arbetet som publicerades tidigare i år i Nature Physics . "Ett nytt sätt att tillverka konstiga metaller kommer att hjälpa oss att utveckla en enande teori bakom deras beteende. Det har varit ganska utmanande hittills och kan leda till en bättre förståelse för andra material, inklusive högtemperatursupraledare", säger Ye, nu en biträdande professor vid California Institute of Technology.
Naturfysik tidningen åtföljs av en News &Views-artikel med titeln "Ett konstigt sätt att få tag i en konstig metall."
Under 2018 rapporterade Checkelsky och många av samma kollegor om en klass av kvantmaterial som kallas kagome-metaller. Medlemmar av kagomemetallfamiljen är sammansatta av lager av atomer arrangerade i ett gitter av upprepade enheter som liknar en davidsstjärna eller sheriffmärke. Mönstret är också vanligt i japansk kultur, särskilt som ett korgvävningsmotiv.
"Vi var intresserade av Kagome-gittret eftersom teorin visade att det borde vara värd för en mängd intressanta funktioner för elektroner som sitter på det", säger Linda Ye. Faktum är att i deras 2018-tidning Ye, rapporterade Checkelsky och kollegor inklusive Riccardo Comin och Liang Fu (även från MIT physics) att deras nya Kagome-metall producerade Dirac-fermioner, nästan masslösa partiklar som liknar fotoner som bär ljus.
"I så fall var Dirac-fermionerna mer eller mindre förväntade från beräkningar", säger Ye. Men de konstiga metallerna som upptäcktes i det aktuella arbetet var helt oväntade, och "det för oss verkligen till en ny regim", säger hon.
Efter deras upptäckt av Dirac-fermionerna ville forskarna se om de kunde hitta "en ännu mer intressant egenskap i Kagome-gittret som kallas ett platt band", säger Ye. Detta är ett fenomen där elektronerna i huvudsak står stilla, även om var och en fortfarande snurrar runt sin egen axel.
Att få elektroner att stå stilla gör att de verkligen kan prata med varandra. Och det är då alla de riktigt intressanta sakerna inom den kondenserade materiens fysik händer.
Mer specifikt letade teamet efter ett platt band på Fermi-nivå, som kan ses som havets yta. De hittade den och började utforska systemets elektriska egenskaper medan de utsattes för högt tryck och ett magnetfält.
De upptäckte att elektronerna i det platta bandet interagerar starkt med andra elektroner i systemet. Resultatet, säger Ye, kan återigen jämföras med havet. Ostörda elektroner i det platta bandet kan ses som ett lugnt hav. När de väl börjar interagera med andra runt omkring dem blir det lugna havet en rasande storm där elektronerna verkar på två olika sätt. Resultatet:en konstig metall.
"Vi visste att det platta bandet skulle resultera i något intressant, men vi visste inte exakt vad det skulle ge oss. Och det vi hittade är en konstig metall", säger Ye.
Hon noterar att arbetet visar att kagomegittret är en "mycket viktig designprincip för nya elektroniska tillstånd." Som ett resultat av detta siktar hon nu på att utöka arbetet till andra galler.
Upptäckten är resultatet av år av forskning. Ye började själv utforska kagome-system runt 2015. "Det har varit ett långt projekt", säger hon. "Det har varit ganska givande att bygga det här steg för steg och hitta många intressanta saker längs vägen."
Ye och Checkelskys MIT medförfattare är Shiang Fang, en MIT fysik postdoc associerad; Mingu Kang, MIT Ph.D. '23, nu vid Cornell University; Yonghun Lee, en gästande student; Caolan John och Paul M. Neves, MIT doktorander i fysik; S.Y. Frank Zhao, en MIT fysik postdoktoral associerad; och Riccardo Comin, 1947 års karriärutvecklingsdocent i fysik.
Andra författare är Josef Kaufmann från Wiens tekniska universitet och Leibniz Institute for Solid State and Materials Research; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick och Eli Rotenberg, alla från Lawrence Berkeley National Laboratory; Efthimios Kaxiras och David C. Bell från Harvard University; och Oleg Janson från Leibniz Institute for Solid State and Materials Research.
Mer information: Linda Ye et al, Hopping frustration-induced platt band och konstig metallicitet i en kagome metal, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02360-5
William R. Meier, Ett konstigt sätt att få en konstig metall, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02416-0
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
