Forscher der Rice University haben ein neuartiges 3D-kristallines Metall entdeckt, das Elektronen aufgrund eines einzigartigen Zusammenspiels von Quantenkorrelationen und der geometrischen Struktur des Materials festhält. Diese Entdeckung unterstreicht die Rolle flacher elektronischer Bänder bei der Bestimmung der Eigenschaften eines Materials und bereitet die Bühne für weitere Untersuchungen von Quantenmaterialien mit Pyrochlor-Gitterstrukturen. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Neue Forschung validiert Methode zur geführten Entdeckung von 3D-Flachbandmaterialien.
Wissenschaftler der Rice University haben ein einzigartiges Material entdeckt: ein dreidimensionales kristallines Metall, in dem Quantenkorrelationen und die Geometrie der Kristallstruktur zusammenwirken, um die Bewegung von Elektronen zu behindern und sie an Ort und Stelle zu fixieren.
Der Fund wird in einer Studie detailliert beschrieben, die in veröffentlicht wurde Naturphysik. Das Papier beschreibt auch das theoretische Designprinzip und die experimentelle Methodik, die das Forschungsteam zu dem Material geführt haben. Ein Teil Kupfer, zwei Teile Vanadium und vier Teile Schwefel Legierung verfügt über ein 3D-Pyrochlorgitter, das aus eckenverknüpften Tetraedern besteht.
Quantenverschränkung und Elektronenlokalisierung
„Wir suchen nach Materialien, in denen es möglicherweise neue Materiezustände oder neue exotische Merkmale gibt, die noch nicht entdeckt wurden“, sagte der Co-Korrespondent der Studie, Ming Yi, ein Rice-Experimentalphysiker.
Quantenmaterialien sind ein wahrscheinlicher Ort, an dem man suchen sollte, insbesondere wenn sie starke Elektronenwechselwirkungen beherbergen, die zu einer Quantenverschränkung führen. Die Verschränkung führt zu seltsamen elektronischen Verhaltensweisen, einschließlich der Behinderung der Bewegung von Elektronen bis zu dem Punkt, an dem sie an ihrem Platz festsitzen.
„Dieser Quanteninterferenzeffekt ist vergleichbar mit Wellen, die über die Oberfläche eines Teichs kräuseln und frontal aufeinander treffen“, sagte Yi. „Durch die Kollision entsteht eine stehende Welle, die sich nicht bewegt. Bei geometrisch frustrierten Gittermaterialien sind es die elektronischen Wellenfunktionen, die destruktiv interferieren.“
Jianwei Huang, Postdoktorand der Rice University, mit dem Laborgerät, mit dem er winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopieexperimente an einer Kupfer-Vanadium-Legierung durchführte. Die Experimente zeigten, dass die Legierung das erste bekannte Material ist, bei dem eine 3D-Kristallstruktur und starke Quantenwechselwirkungen die Bewegung von Elektronen behindern und sie an Ort und Stelle halten, was zu einem flachen elektronischen Band führt. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University
Die Elektronenlokalisierung in Metallen und Halbmetallen erzeugt flache elektronische Bänder, sogenannte Flachbänder. In den letzten Jahren haben Physiker herausgefunden, dass die geometrische Anordnung der Atome in einigen 2D-Kristallen, wie zum Beispiel Kagome-Gittern, auch flache Bänder erzeugen kann. Die neue Studie liefert empirische Belege für den Effekt in einem 3D-Material.
Fortgeschrittene Techniken und überraschende Erkenntnisse
Mithilfe einer experimentellen Technik namens winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie oder ARPES haben Yi und der Hauptautor der Studie, Jianwei Huang, ein Postdoktorand in ihrem Labor, die Bandstruktur des Kupfer-Vanadium-Schwefel-Materials detailliert beschrieben und festgestellt, dass es ein flaches Band beherbergt in mehrfacher Hinsicht einzigartig.
„Es stellt sich heraus, dass beide Arten der Physik in diesem Material wichtig sind“, sagte Yi. „Der geometrische Frustrationsaspekt war vorhanden, wie die Theorie vorhergesagt hatte. Die angenehme Überraschung war, dass es auch Korrelationseffekte gab, die das flache Band auf dem Fermi-Niveau erzeugten, wo es aktiv an der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften teilnehmen kann.“
Jianwei Huang. Bildnachweis: Jeff Fitlow/Rice University
In fester Materie besetzen Elektronen Quantenzustände, die in Bänder unterteilt sind. Man kann sich diese elektronischen Bänder wie Sprossen auf einer Leiter vorstellen, und die elektrostatische Abstoßung begrenzt die Anzahl der Elektronen, die jede Sprosse besetzen kann. Das Fermi-Niveau, eine inhärente Eigenschaft von Materialien und entscheidend für die Bestimmung ihrer Bandstruktur, bezieht sich auf das Energieniveau der höchsten besetzten Position auf der Leiter.
Theoretische Erkenntnisse und zukünftige Richtungen
Der Rice-theoretische Physiker und Co-Korrespondent der Studie, Qimiao Si, dessen Forschungsgruppe die Kupfer-Vanadium-Legierung und ihre Pyrochlor-Kristallstruktur als möglichen Wirt für kombinierte Frustrationseffekte aus Geometrie und starken Elektronenwechselwirkungen identifizierte, verglich die Entdeckung mit der Entdeckung eines neuen Kontinents .
„Es ist die allererste Arbeit, die nicht nur diese Zusammenarbeit zwischen geometrischer und interaktionsbedingter Frustration wirklich zeigt, sondern auch die nächste Stufe, die darin besteht, Elektronen in den gleichen Raum an der Spitze der (Energie-)Leiter zu bringen, wo es eine gibt.“ „Maximale Chance, dass sie sich in interessante und potenziell funktionierende neue Phasen umwandeln“, sagte Si.
Er sagte, die Vorhersagemethodik oder das Designprinzip, das seine Forschungsgruppe in der Studie verwendet habe, könnten sich auch für Theoretiker als nützlich erweisen, die Quantenmaterialien mit anderen Kristallgitterstrukturen untersuchen.
„Das Pyrochlor ist nicht das einzige Spiel in der Stadt“, sagte Si. „Dies ist ein neues Designprinzip, das es Theoretikern ermöglicht, Materialien vorhersagbar zu identifizieren, in denen aufgrund starker Elektronenkorrelationen flache Bänder entstehen.“
Yi sagte, es gebe auch viel Raum für die weitere experimentelle Erforschung von Pyrochlorkristallen.
„Das ist nur die Spitze des Eisbergs“, sagte sie. „Das ist 3D, was neu ist, und angesichts der vielen überraschenden Erkenntnisse, die es zu Kagome-Gittern gegeben hat, stelle ich mir vor, dass es bei den Pyrochlor-Materialien ebenso oder vielleicht sogar noch aufregendere Entdeckungen geben könnte.“
Referenz: „Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten in einem korrelierten Flachband-Pyrochlorgitter“ von Jianwei Huang, Lei Chen, Yuefei Huang, Chandan Setty, Bin Gao, Yue Shi, Zhaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto , Donghui Lu, Boris I. Yakobson, Pengcheng Dai, Jiun-Haw Chu, Qimiao Si und Ming Yi, 26. Januar 2024, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02362-3
Zum Forschungsteam gehörten 10 Rice-Forscher aus vier Labors. Die Forschungsgruppe des Physikers Pengcheng Dai produzierte die vielen Proben, die für die experimentelle Verifizierung benötigt wurden, und die Forschungsgruppe von Boris Yakobson in der Abteilung für Materialwissenschaften und Nanotechnik führte First-Principle-Berechnungen durch, die die durch geometrische Frustration erzeugten Flachbandeffekte quantifizierten. ARPES-Experimente wurden in Rice und an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource des SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien und der National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory in New York durchgeführt. Das Team bestand aus Mitarbeitern von SLAC, Brookhaven und dem Universität von Washington.
Die Forschung nutzte Ressourcen, die durch einen Vertrag des Energieministeriums (DOE) mit SLAC (DE-AC02-76SF00515) unterstützt wurden, und wurde durch Zuschüsse der Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative (GBMF9470) der Gordon and Betty Moore Foundation und der Robert A. Welch unterstützt Foundation (C-2175, C-1411, C-1839), das DOE’s Office of Basic Energy Sciences (DE-SC0018197), das Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1- 0356), die National Science Foundation (2100741), das Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) und das vom ONR verwaltete Vannevar Bush Faculty Fellows-Programm des Department of Defense Basic Research Office (ONR-VB). N00014-23-1-2870).