Forskare från Rice University har upptäckt ett första material i sitt slag, en kristallin 3D-metall där kvantkorrelationer och kristallstrukturens geometri kombineras för att hindra elektronernas rörelse och låsa dem på plats.
Fyndet beskrivs i detalj i en studie publicerad i Nature Physics . Uppsatsen beskriver också den teoretiska designprincipen och experimentella metodiken som vägledde forskargruppen till materialet. En del koppar, två delar vanadin och fyra delar svavel, legeringen har ett 3D-pyroklorgitter som består av hörndelade tetraedrar.
"Vi letar efter material där det finns potentiellt nya tillstånd av materia eller nya exotiska egenskaper som inte har upptäckts", säger studiens medkorrespondentförfattare Ming Yi, en experimentell fysiker från Rice.
Kvantmaterial är ett troligt ställe att leta efter, särskilt om de är värd för starka elektroninteraktioner som ger upphov till kvantintrassling. Intrassling leder till konstiga elektroniska beteenden, inklusive att frustrera elektronernas rörelse till den punkt där de låses på plats.
"Denna kvantinterferenseffekt är analog med vågor som skvalpar över ytan av en damm och möts rakt av," sa Yi. "Kollisionen skapar en stående våg som inte rör sig. När det gäller geometriskt frustrerade gittermaterial är det de elektroniska vågfunktionerna som stör destruktivt."
Elektronlokalisering i metaller och halvmetaller ger platta elektroniska band, eller platta band. Under de senaste åren har fysiker funnit att det geometriska arrangemanget av atomer i vissa 2D-kristaller, som Kagome-gitter, också kan producera platta band. Den nya studien ger empiriska bevis för effekten i ett 3D-material.
Med hjälp av en experimentell teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES, beskrev Yi och studiens huvudförfattare Jianwei Huang, en postdoktor i hennes labb, bandstrukturen för koppar-vanadin-svavelmaterialet och fann att det var värd för ett platt band som är unik på flera sätt.
"Det visar sig att båda typerna av fysik är viktiga i detta material," sa Yi. "Den geometriska frustrationsaspekten fanns där, som teorin hade förutspått. Den trevliga överraskningen var att det också fanns korrelationseffekter som producerade det platta bandet på Fermi-nivå, där det aktivt kan delta i att bestämma de fysikaliska egenskaperna."
I fasta tillståndsämnen upptar elektroner kvanttillstånd som är uppdelade i band. Dessa elektroniska band kan föreställas som stegpinnar på en stege, och elektrostatisk repulsion begränsar antalet elektroner som kan uppta varje steg. Ferminivån, en inneboende egenskap hos material och en avgörande egenskap för att bestämma deras bandstruktur, hänvisar till energinivån för den högsta upptagna positionen på stegen.
Risteoretisk fysiker och studie med-motsvarande författare Qimiao Si, vars forskargrupp identifierade koppar-vanadinlegeringen och dess pyroklorkristallstruktur som en möjlig värd för kombinerade frustrationseffekter från geometri och starka elektroninteraktioner, liknade upptäckten med att hitta en ny kontinent .
"Det är det allra första arbetet som verkligen visar inte bara detta samarbete mellan geometrisk och interaktionsdriven frustration, utan också nästa steg, som är att få elektroner att vara i samma utrymme överst på (energi)stegen, där det finns en maximal chans att de omorganiseras till intressanta och potentiellt funktionella nya faser," sa Si.
Han sa att den prediktiva metodiken eller designprincipen som hans forskargrupp använde i studien också kan visa sig användbar för teoretiker som studerar kvantmaterial med andra kristallgitterstrukturer.
"Pyroklor är inte det enda spelet i stan," sa Si. "Detta är en ny designprincip som gör det möjligt för teoretiker att förutsägande identifiera material där platta band uppstår på grund av starka elektronkorrelationer."
Yi förklarade att det också finns gott om utrymme för ytterligare experimentell utforskning av pyroklorkristaller.
"Detta är bara toppen av isberget", sa hon. "Detta är 3D, vilket är nytt, och bara med tanke på hur många överraskande fynd det har gjorts på Kagome-galler, föreställer jag mig att det kan finnas lika eller kanske ännu mer spännande upptäckter att göra i pyroklormaterialen."
I forskargruppen ingick 10 risforskare från fyra laboratorier. Fysikern Pengcheng Dais forskargrupp tog fram de många prover som behövdes för experimentell verifiering, och Boris Yakobsons forskargrupp vid Institutionen för materialvetenskap och nanoteknik utförde första principberäkningar som kvantifierade de flatbandseffekter som skapades av geometrisk frustration.
ARPES-experiment utfördes på Rice och vid SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Lightsource i Kalifornien och Brookhaven National Laboratorys National Synchrotron Light Source II i New York, och teamet inkluderade medarbetare från SLAC, Brookhaven och University of Washington.
Mer information: Jianwei Huang et al, Non-Fermi vätskebeteende i ett korrelerat flatband pyrochlore lattice, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02362-3
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Rice University
