과학자들이 전자가 멈춰 있는 이상한 물질을 발견했습니다.

새로운 연구에서는 평면 규모 3D 재료의 유도 감지 방법을 검증했습니다.

라이스 대학의 과학자들은 양자 상관 관계와 결정 구조의 기하학적 구조가 결합되어 전자의 움직임을 방해하고 제자리에 고정시키는 3D 결정질 금속이라는 최초의 물질을 발견했습니다.

이 발견은 다음 연구에 자세히 설명되어 있습니다. 자연 물리학. 이 논문은 또한 연구팀을 재료로 인도한 이론적 설계 원리와 실험 방법론을 설명합니다. 구리 1부, 바나듐 2부, 황 4부 합금 모서리를 공유하는 사면체로 구성된 3D 파이로클로어 격자가 특징입니다.

양자 얽힘과 전자 위치 파악

연구 공동 저자이자 Rice 대학의 실험 물리학자인 Ming Yi는 “우리는 잠재적으로 발견되지 않은 새로운 물질 상태나 새로운 이국적인 특징을 가질 수 있는 물질을 찾고 있습니다.”라고 말했습니다.

양자 재료는 특히 양자 얽힘으로 이어지는 강력한 전자 상호 작용을 포함하는 경우 연구 장소가 될 가능성이 있습니다. 얽힘은 전자가 제자리에 고정되는 지점까지 전자의 이동을 억제하는 것을 포함하여 이상한 전자적 행동을 유발합니다.

“이 양자 간섭 효과는 연못 표면을 가로지르며 정면으로 만나는 파도와 같습니다.”라고 Yi는 말했습니다. “충돌은 움직이지 않는 정상파를 생성합니다. 기하학적으로 좌절된 격자 물질의 경우 파괴적으로 간섭하는 것은 전자파 기능입니다.

라이스 대학교 박사후 연구원 Jianwei Huang은 구리-바나듐 합금에 대한 특정 각도 광전자 방출 분광학 실험을 수행하는 데 사용한 실험실 장치를 공유했습니다. 실험에 따르면 이 합금은 3차원 결정 구조와 강한 양자 상호 작용이 전자의 이동을 방해하고 제자리에 고정시켜 편평한 전자 막대를 만드는 최초의 알려진 물질인 것으로 나타났습니다. 출처: Jeff Vitello/Rice University

금속 및 반금속의 전자 위치화는 평평한 전자 도메인 또는 플랫밴드를 생성합니다. 최근 몇 년 동안 물리학자들은 Kagome의 격자와 같은 일부 2D 결정에서 원자의 기하학적 배열이 평평한 리본을 생성할 수도 있음을 발견했습니다. 새로운 연구는 3D 물질의 효과에 대한 실험적 증거를 제공합니다.

고급 기술과 놀라운 결과

각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)이라는 실험 기법을 사용하여 Ye와 연구실의 박사후 연구원인 Jianwei Huang은 구리-바나듐-황 리본 구조를 자세히 설명하고 독특한 플랫 리본을 호스팅한다는 사실을 발견했습니다. 여러 가지 방법으로.

Yee는 “이 물질에서는 두 가지 유형의 물리학이 모두 중요하다는 것이 밝혀졌습니다.”라고 말했습니다. “이론이 예측한 대로 기하학적인 좌절 측면이 있었습니다. 즐거운 놀라움은 페르미 준위에서 플랫 밴드를 생성하는 상관 효과도 있었고 물리적 특성을 결정하는 데 적극적으로 참여할 수 있다는 것입니다.”

황젠웨이. 출처: Jeff Vitello/Rice University

고체에서 전자는 띠로 나누어진 양자 상태를 차지합니다. 이러한 전자 밴드는 사다리의 가로대처럼 생각할 수 있으며, 정전기적 반발력은 각 가로대를 점유할 수 있는 전자의 수를 제한합니다. 물질의 고유한 특성이자 밴드 구조를 결정하는 중요한 특성인 페르미 준위는 사다리에서 가장 높은 위치에 있는 에너지 준위를 나타냅니다.

이론적 통찰과 미래 방향

Rice는 이론 물리학자이자 연구 공동 저자인 Kimiao Si입니다. 그의 연구 그룹은 구리-바나듐 합금과 그 피로염소 결정 구조를 기하학과 강한 전자 상호 작용으로 인한 공압 좌절 효과의 잠재적 호스트로 식별했으며 이 발견을 새로운 발견에 비유했습니다. 대륙. .

“이것은 공학적 좌절과 상호 작용 사이의 이러한 협력뿐만 아니라 전자가 (에너지) 사다리의 꼭대기에 있는 동일한 공간에 있도록 하는 다음 단계를 보여주는 첫 번째 작업입니다. 새로운 단계로 재구성합니다.”라고 Si는 말했습니다. 흥미롭고 잠재적으로 효과적입니다.”

그는 이번 연구에서 그의 연구 그룹이 사용한 예측 방법론이나 설계 원리가 다른 결정 격자 구조를 갖는 양자 물질을 연구하는 이론가들에게도 유용할 수 있다고 말했습니다.

“파이로클로르가 이 마을의 유일한 게임은 아닙니다.” 시가 말했습니다. “이것은 이론가들이 강한 전자 상관관계로 인해 플랫 밴드가 발생하는 재료를 예측적으로 식별할 수 있게 해주는 새로운 설계 원리입니다.”

파이로클로어 결정에 대한 추가 실험적 탐사의 여지도 크다고 Yi는 말했습니다.

“이것은 빙산의 일각에 불과하다”고 그녀는 덧붙였다. “이것은 새로운 3차원적이며 Kagome의 네트워크에서 이루어진 수많은 놀라운 결과를 고려할 때 파이로클로어 물질에서 만들 수 있는 것과 동등하거나 아마도 훨씬 더 흥미로운 발견이 있을 수 있다고 상상합니다.”

참고 자료: Jianwei Huang, Li Chen, Yufei Huang, Chandan Seti, Bin Gao, Yue Shi, Xiaoyu Liu, Yichen Zhang, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo 및 Makoto Hashimoto의 “평면 규모 파이로클로어 격자의 비페르미 유체 거동” . , 루동귀, 보리스 1세. Jacobson, Pingcheng Dai, Jun-Hao Zhou, Kimiao Si 및 Ming Yi, 2024년 1월 26일, 자연 물리학.
도이: 10.1038/s41567-023-02362-3

연구팀에는 4개 연구실의 라이스 연구원 10명이 포함됐다. 물리학자 Pingqing Dai의 연구 그룹은 실험 검증에 필요한 여러 샘플을 생성했으며, 재료 과학 및 나노공학과의 Boris Jakobsson 연구 그룹은 기하학적 좌절로 인한 플랫 밴드 효과를 정량화하는 예비 계산을 수행했습니다. ARPES 실험은 Rice와 캘리포니아에 있는 SLAC 국립 연구소의 싱크로트론 광원 II 및 뉴욕에 있는 Brookhaven 국립 연구소의 두 번째 국립 싱크로트론 광원에서 수행되었으며, 팀에는 SLAC, Brookhaven 및 Brookhaven 국립 연구소의 공동 작업자가 포함되었습니다. 워싱턴대학교.

이 연구는 SLAC(DE-AC02-76SF00515)와의 에너지부(DOE) 계약이 지원하는 자원을 사용했으며 Gordon and Betty Moore 재단의 양자 시스템 이니셔티브의 신흥 현상(GBMF9470) 및 Robert A의 보조금으로 지원되었습니다. .웰치 재단. Enterprise(C-2175, C-1411, C-1839), DOE 기초 에너지 과학실(DE-SC0018197), 공군 과학 연구실(FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1-) 0356 ), 국립 과학 재단(2100741), 해군 연구실(ONR)(N00014-22-1-2753) 및 ONR이 관리하는 국방부 기초 연구실의 Vannevar Bush 교수 펠로우 프로그램(ONR-VB) ) 번호 00014-23-1-2870).