وبلاگ

دانشمندان دانشگاه رایس اولین ماده در نوع خود، یک فلز کریستالی سه بعدی را کشف کردند که در آن همبستگی های کوانتومی و هندسه ساختار بلوری با هم ترکیب می شوند تا حرکت الکترون ها را خنثی کرده و آنها را در جای خود قفل کنند.

این یافته در یک مطالعه به تفصیل آمده است منتشر شده که در فیزیک طبیعی. این مقاله همچنین اصل طراحی نظری و روش شناسی تجربی را توصیف می کند که تیم تحقیقاتی را به سمت مواد هدایت می کند. یک قسمت مس، دو قسمت وانادیوم و چهار قسمت گوگرد، این آلیاژ دارای یک شبکه پیروکلر سه بعدی متشکل از چهار وجهی مشترک گوشه است.

مینگ یی، یکی از نویسندگان این مطالعه، فیزیکدان تجربی در رایس، می‌گوید: «ما به دنبال موادی هستیم که دارای حالت‌های بالقوه جدید ماده یا ویژگی‌های عجیب و غریب جدیدی هستند که کشف نشده‌اند.

مواد کوانتومی مکان محتملی برای نگاه کردن هستند، به خصوص اگر میزبان فعل و انفعالات الکترونیکی قوی باشند که باعث ایجاد آنها می شود درهمتنیدگی کوانتومی. درهم تنیدگی منجر به رفتار الکترونیکی عجیبی می‌شود، از جمله حرکت ناامیدکننده الکترون‌ها تا جایی که در جای خود قفل می‌شوند.

یی گفت: «این اثر تداخل کوانتومی مشابه امواجی است که در سطح دریاچه پخش می‌شوند و رودررو به هم می‌رسند. “برخورد موجی ایستاده ایجاد می کند که حرکت نمی کند. در مورد مواد شبکه ای که از نظر هندسی شکسته شده اند، این توابع امواج الکترونیکی هستند که به طور مخربی تداخل می کنند.”

مکان یابی الکترون در فلزات و نیمه فلزات نوارهای الکترونی مسطح یا نوارهای مسطح تولید می کند. در سال‌های اخیر، فیزیکدانان کشف کرده‌اند که آرایش هندسی اتم‌ها در برخی از کریستال‌های دوبعدی، مانند شبکه‌های کاگوم، می‌تواند نوارهای مسطح نیز ایجاد کند. مطالعه جدید شواهد تجربی برای اثر در یک ماده سه بعدی ارائه می دهد.

با استفاده از یک تکنیک تجربی به نام طیف سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه اییا ARPES، یی و نویسنده اصلی مطالعه Jianwei Huang، یک محقق فوق دکترا در آزمایشگاه خود، ساختار نواری مواد مس-وانادیوم-گوگرد را به تفصیل توضیح دادند و دریافتند که حاوی یک نوار مسطح است که از چندین جهت منحصر به فرد است.

یی گفت: «به نظر می رسد که هر دو نوع فیزیک در این ماده مهم هستند. همانطور که نظریه پیش بینی می کرد، جنبه ناامیدی هندسی وجود داشت. شگفتی خوشایند این بود که اثرات همبستگی نیز وجود داشت که نوار مسطح را در سطح فرمی ایجاد کرد، جایی که می‌تواند فعالانه در تعیین ویژگی‌های فیزیکی شرکت کند.

در ماده حالت جامد، الکترون ها حالت های کوانتومی را اشغال می کنند که به نوارهایی از هم جدا می شوند. این نوارهای الکترونی را می توان به عنوان پله های یک نردبان در نظر گرفت و دافعه الکترواستاتیکی تعداد الکترون هایی را که می توانند هر پله را اشغال کنند محدود می کند. سطح فرمی، یک ویژگی ذاتی مواد و برای تعیین ساختار نواری آنها بسیار مهم است، به سطح انرژی بالاترین موقعیت اشغال شده روی نردبان اشاره دارد.

کیمیائو سی، فیزیکدان نظری رایس و یکی از نویسندگان مطالعه، که گروه تحقیقاتی او آلیاژ مس-وانادیوم و ساختار بلوری پیروکلر آن را به عنوان میزبان احتمالی اثرات ناامیدکننده ترکیبی هندسه و برهمکنش‌های الکترون قوی شناسایی کرد، این کشف را به یافتن یک قاره جدید تشبیه کرد.

این اولین اثری است که واقعاً نه تنها این همکاری بین ناامیدی هندسی و ناشی از تعامل را نشان می‌دهد، بلکه مرحله بعدی را نیز نشان می‌دهد که باعث می‌شود الکترون‌ها در همان فضا در بالای نردبان (انرژی) قرار گیرند، جایی که وجود دارد. شی گفت: حداکثر شانس برای سازماندهی مجدد آنها به مراحل جدید جالب و بالقوه کاربردی.

او گفت که روش‌شناسی پیش‌بینی یا اصل طراحی که گروه تحقیقاتی او در این مطالعه استفاده کرده‌اند می‌تواند برای نظریه‌پردازانی که مواد کوانتومی را با دیگر ساختارهای شبکه کریستالی مطالعه می‌کنند نیز مفید باشد.

Sy گفت: “Pyrochlor تنها بازی در شهر نیست.” “این یک اصل طراحی جدید است که به نظریه پردازان اجازه می دهد تا موادی را که در آنها نوارهای مسطح به دلیل همبستگی های الکترونیکی قوی ایجاد می شوند، به طور قابل پیش بینی شناسایی کنند.”

یی توضیح داد که همچنین فضای زیادی برای تحقیقات تجربی بیشتر در مورد کریستال‌های پیروکلر وجود دارد.

او گفت: «این فقط نوک کوه یخ است. “این سه بعدی است که جدید است، و با توجه به تعداد زیادی اکتشافات شگفت انگیز در شبکه های Kagome، تصور می کنم که می تواند به همان اندازه یا شاید حتی اکتشافات هیجان انگیزتر در مواد پیروکلر وجود داشته باشد.”

تیم تحقیقاتی شامل 10 محقق برنج از چهار آزمایشگاه است. گروه تحقیقاتی فیزیکدان Pengcheng Dai نمونه‌های زیادی را که برای راستی‌آزمایی آزمایشی لازم بود تولید کردند و گروه تحقیقاتی Boris Jakobsson در بخش علوم مواد و مهندسی نانو محاسبات اصول اولیه را انجام دادند که اثرات باند مسطح ناشی از ناامیدی هندسی را کمیت می‌داد.

آزمایش‌های ARPES در رایس و در منبع نور سنکروترون استنفورد آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC در کالیفرنیا و منبع نور سنکروترون ملی بروکهاون II در نیویورک انجام شد و تیم شامل همکارانی از SLAC، بروکهاون و دانشگاه واشنگتن بود.