Les scientifiques ont découvert une substance étrange où les électrons restent immobiles

Une nouvelle recherche valide une méthode de détection guidée de matériaux 3D à échelle plate.

Des scientifiques de l'Université Rice ont découvert un matériau unique en son genre : un métal cristallin 3D dans lequel les corrélations quantiques et la géométrie de la structure cristalline se combinent pour contrecarrer le mouvement des électrons et les maintenir en place.

La découverte a été détaillée dans une étude publiée dans Physique naturelle. L'article décrit également le principe de conception théorique et la méthodologie expérimentale qui ont guidé l'équipe de recherche vers le matériau. Une part de cuivre, deux parts de vanadium et quatre parts de soufre Alliage Il présente un réseau de pyrochlore 3D composé de tétraèdres partageant des coins.

Intrication quantique et localisation électronique

« Nous recherchons des matériaux qui présentent potentiellement de nouveaux états de la matière ou de nouvelles caractéristiques exotiques qui n'ont pas été découvertes », a déclaré Ming Yi, co-auteur de l'étude et physicien expérimental à Rice.

Les matériaux quantiques ont le potentiel de devenir un lieu de recherche, surtout s’ils contiennent de fortes interactions électroniques conduisant à une intrication quantique. L’intrication conduit à des comportements électroniques étranges, notamment l’inhibition du mouvement des électrons au point où ils se fixent.

« Cet effet d'interférence quantique est comme des vagues ondulant sur la surface d'un étang et se rencontrant de front », a déclaré Yi. « La collision crée une onde stationnaire qui ne bouge pas. Dans le cas de matériaux de réseau géométriquement frustrés, ce sont les fonctions d'onde électroniques qui interfèrent de manière destructrice. « 

Jianwei Huang, chercheur postdoctoral à l'Université Rice, a partagé un appareil de laboratoire qu'il a utilisé pour effectuer des expériences de spectroscopie de photoémission à angle spécifique sur un alliage cuivre-vanadium. Des expériences ont montré que cet alliage est le premier matériau connu dans lequel la structure cristalline tridimensionnelle et les fortes interactions quantiques entravent le mouvement des électrons et les maintiennent en place, ce qui donne lieu à une barre d'électrons plate. Crédit : Jeff Vitello/Université Rice

La localisation des électrons dans les métaux et semi-métaux produit des domaines électroniques plats, ou bandes plates. Ces dernières années, les physiciens ont découvert que la disposition géométrique des atomes dans certains cristaux 2D, tels que les réseaux de Kagome, pouvait également produire des rubans plats. La nouvelle étude fournit des preuves expérimentales de l’effet sur la matière 3D.

Techniques avancées et résultats étonnants

En utilisant une technique expérimentale appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES, Ye et l'auteur principal de l'étude, Jianwei Huang, chercheur postdoctoral dans son laboratoire, ont détaillé la structure du ruban cuivre-vanadium-soufre et ont découvert qu'il héberge un ruban plat unique. de plusieurs manières.

« Il s'avère que les deux types de physique sont importants dans ce matériau », a déclaré Yee. « L'aspect de frustration géométrique était là, comme le prédisait la théorie. La bonne surprise était qu'il y avait aussi des effets de corrélation qui produisaient la bande plate au niveau de Fermi, où elle pouvait être activement impliquée dans la détermination des propriétés physiques. »

Jian Wei Huang. Crédit : Jeff Vitello/Université Rice

Dans un solide, les électrons occupent des états quantiques divisés en bandes. Ces bandes électroniques peuvent être considérées comme des barreaux sur une échelle, et la répulsion électrostatique limite le nombre d’électrons pouvant occuper chaque barreau. Le niveau de Fermi, propriété inhérente aux matériaux et propriété critique pour déterminer leur structure de bande, fait référence au niveau d'énergie de la position occupée la plus élevée sur l'échelle.

Aperçus théoriques et orientations futures

Rice est physicien théoricien et co-auteur de l'étude Kimiao Si, dont le groupe de recherche a identifié l'alliage cuivre-vanadium et sa structure cristalline de pyrochlore comme hôte potentiel des effets de co-frustration liés à la géométrie et aux fortes interactions électroniques. Il a comparé cette découverte à la découverte d'un nouveau continent. .

« C'est le premier travail qui démontre non seulement cette collaboration entre frustration technique et interaction, mais aussi l'étape suivante, qui consiste à amener les électrons dans le même espace, au sommet de l'échelle (énergétique), où il y a le maximum d'opportunités de réorganisez-les en nouvelles phases », a déclaré Si. Intéressant et potentiellement efficace.

Il a déclaré que la méthodologie prédictive ou le principe de conception utilisé par son groupe de recherche dans l'étude pourrait également être utile aux théoriciens étudiant les matériaux quantiques avec d'autres structures de réseau cristallin.

« Le pyrochlore n'est pas le seul jeu en ville », a déclaré See. « Il s'agit d'un nouveau principe de conception qui permet aux théoriciens d'identifier de manière prédictive les matériaux dans lesquels des bandes plates apparaissent en raison de fortes corrélations électroniques. »

Il existe également de grandes possibilités d'exploration expérimentale des cristaux de pyrochlore, a déclaré Yi.

« Ce n'est que la pointe de l'iceberg », a-t-elle ajouté. « C'est tridimensionnel, ce qui est nouveau, et étant donné le nombre de résultats étonnants qui ont été obtenus dans les réseaux de Kagome, j'imagine qu'il pourrait y avoir des découvertes tout aussi, voire plus passionnantes, qui peuvent être faites dans les matériaux pyrochlores. »

Référence : « Comportement des fluides non Fermi dans un réseau de pyrochlore à échelle plate » par Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo et Makoto Hashimoto . , Donggui Lu, Boris I. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si et Ming Yi, 26 janvier 2024, Physique naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41567-023-02362-3

L'équipe de recherche comprenait 10 chercheurs Rice issus de quatre laboratoires. Le groupe de recherche du physicien Pingqing Dai a produit plusieurs échantillons nécessaires à la vérification expérimentale, et le groupe de recherche de Boris Jakobsson du Département de science des matériaux et de nano-ingénierie a effectué des calculs préliminaires quantifiant les effets de bande plate résultant de la frustration géométrique. Les expériences ARPES ont été menées à Rice et à la source de lumière synchrotron II du laboratoire national SLAC en Californie et à la deuxième source de lumière synchrotron nationale du laboratoire national de Brookhaven à New York, et l'équipe comprenait des collaborateurs du SLAC, de Brookhaven et du Brookhaven National Institute. Université de Washington.

La recherche a utilisé des ressources financées par un contrat du Département de l'énergie (DOE) avec le SLAC (DE-AC02-76SF00515) et a été financée par des subventions de l'Initiative sur les phénomènes émergents dans les systèmes quantiques de la Fondation Gordon et Betty Moore (GBMF9470) et du Robert A. Fondation Welch. Enterprise (C-2175, C-1411, C-1839), Bureau des sciences énergétiques fondamentales du DOE (DE-SC0018197), Bureau de la recherche scientifique de l'Armée de l'Air (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), la National Science Foundation (2100741), l'Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) et le programme de bourses de recherche Vannevar Bush administré par l'ONR du Bureau de recherche fondamentale du ministère de la Défense (ONR-VB). ) N°00014-23-1-2870).