اكتشف العلماء أجسامًا غريبة عالقة فيها الإلكترونات

يؤكد بحث جديد طريقة الاكتشاف الموجه للمواد ثلاثية الأبعاد ذات النطاق المسطح.

اكتشف العلماء في جامعة رايس أول مادة من نوعها: معدن بلوري ثلاثي الأبعاد تجتمع فيه التفاعلات الكمومية وهندسة البنية البلورية لإحباط حركة الإلكترونات وتثبيتها في مكانها.

تم تفصيل هذه النتيجة في دراسة نشرت في الفيزياء الطبيعية. تصف الورقة أيضًا مبدأ التصميم النظري والمنهجية التجريبية التي وجهت فريق البحث إلى المادة. جزء واحد من النحاس، وجزءان من الفاناديوم، وأربعة أجزاء من الكبريت تعبير يحتوي على شبكة بيروكلور ثلاثية الأبعاد تتكون من رباعيات الأسطح التي تتقاسم الزوايا.

التشابك الكمي وتوطين الإلكترون

وقال الباحث المشارك في الدراسة مينغ يي، عالم الفيزياء التجريبية في رايس: “نحن نبحث عن حالات جديدة للمادة أو أجسام ذات سمات غريبة جديدة غير مكتشفة”.

تعتبر المواد الكمومية مكانًا للبحث، خاصة إذا كانت توفر تفاعلات إلكترونية قوية تؤدي إلى التشابك الكمي. ويؤدي التعقيد إلى سلوكيات إلكترونية غريبة، بما في ذلك إحباط حركة الإلكترونات إلى درجة تصبح فيها مقفلة.

وقال يي: “إن تأثير التداخل الكمي هذا يشبه التموجات على سطح البركة والالتقاء وجهاً لوجه”. “الاصطدام يخلق موجة ثابتة. وفي حالة المواد الشبكية المحبطة هندسيًا، تتداخل وظائف الموجة الإلكترونية بشكل مدمر.

استخدم جيانوي هوانغ، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة رايس، معدات المختبر لإجراء تجارب التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي بزاوية محددة على سبائك النحاس والفاناديوم. أظهرت التجارب أن السبيكة هي أول مادة معروفة، حيث يحبط تركيبها البلوري ثلاثي الأبعاد وتفاعلاتها الكمومية القوية حركة الإلكترونات، مما يؤدي إلى تثبيتها في مكانها، مما ينتج عنه شريط إلكتروني مسطح. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

يؤدي توطين الإلكترون في المعادن وشبه المعادن إلى إنتاج نطاقات إلكترونية مسطحة أو نطاقات مسطحة. في السنوات الأخيرة، اكتشف الفيزيائيون أن الترتيب الهندسي للذرات في بعض البلورات ثنائية الأبعاد، مثل شبكات كاغومي، يمكن أن ينتج أيضًا أشرطة مسطحة. توفر الدراسة الجديدة دليلاً تجريبيًا على التأثير في كائن ثلاثي الأبعاد.

تقنيات متقدمة واكتشافات مذهلة

باستخدام تقنية تجريبية تسمى التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي ذو الزاوية، أو ARPES، قام يي والمؤلف الرئيسي للدراسة جيانوي هوانغ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مختبره، بتفصيل بنية شريط مادة النحاس والفاناديوم والكبريت. فريدة من نوعها في نواح كثيرة.

وقال يي: “اتضح أن كلا النوعين من الفيزياء مهمان بهذا المعنى”. “كما تنبأت النظرية، كانت هناك سمة إحباط هندسية. وكانت المفاجأة السارة هي وجود تأثيرات تفاعلية أيضًا تخلق شريطًا مسطحًا على مستوى فيرمي، حيث يمكن أن يشارك بشكل فعال في تحديد الخصائص الفيزيائية.

جيانوي هوانغ. الائتمان: جيف فيتلو / جامعة رايس

في المادة الصلبة، تحتل الإلكترونات حالات كمومية مقسمة إلى نطاقات. ويمكن تصور هذه النطاقات الإلكترونية على أنها درجات على سلم، ويحد التنافر الكهروستاتيكي من عدد الإلكترونات التي يمكن أن تشغل كل درجة. يمثل مستوى فيرمي، وهو خاصية جوهرية للمواد ومهم في تحديد بنية نطاقها، مستوى الطاقة لأعلى حالة مشغولة على السلم.

رؤى نظرية وتوجهات مستقبلية

رايس هو عالم فيزياء نظرية ومؤلف مشارك في الدراسة، كيمياو تشي، الذي حدد فريقه البحثي سبيكة النحاس والفاناديوم وهيكلها البلوري البيروكلوري كمضيف محتمل لتأثيرات الإحباط المشتركة للهندسة وتفاعلات الإلكترون القوية. .

“هذا هو العمل الأول الذي يُظهر حقًا هذا التعاون بين الهندسة والإحباط الناتج عن التفاعل، لكن الخطوة التالية هي وضع الإلكترونات في نفس المكان في أعلى سلم (الطاقة). أقصى فرصة لإعادة ترتيبها إلى مثيرة للاهتمام وممتعة قال سي: “مراحل وظيفية جديدة”.

وقال إن طريقة التنبؤ، أو مبدأ التصميم، التي استخدمتها مجموعته البحثية في الدراسة يمكن أن تكون مفيدة أيضًا للنظريين الذين يدرسون المواد الكمومية جنبًا إلى جنب مع هياكل الشبكة البلورية الأخرى.

قال سي: “إن البيروكلور ليس اللعبة الوحيدة في المدينة”. “هذا مبدأ تصميم جديد يسمح للنظريين بالتنبؤ بالمواد التي تنشأ فيها العصابات المسطحة بسبب التفاعلات الإلكترونية القوية.”

وقال يي إن هناك مجالا كبيرا لمزيد من الدراسة التجريبية لبلورات البيروكلور.

وأضاف: “هذا ليس سوى غيض من فيض”. “إنها ثلاثية الأبعاد، إنها جديدة، وبالنظر إلى عدد الاكتشافات المذهلة الموجودة في شبكات kagome، أتخيل أنه يمكن أن تكون هناك اكتشافات مذهلة بنفس القدر أو حتى أكثر في مواد البيروكلور.”

المرجع: “سلوك سائل غير فيرمي في شبكة بيروكلور مسطحة متماسكة” بقلم جيانوي هوانغ، لي تشن، يوفي هوانغ، تشاندان تشيتي، بن جاو، يو شي، تشاو ليو، ييتشين تشانغ، ثورغود هيلماس، إليو فيسكوفو، ماكوتو فيسكوفو ، دونغوي لو، بوريس آي ياكوبسون، بينجتشينج داي، جيون هاو تشو، كيمياو سي، مينج يي، 26 يناير 2024، الفيزياء الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41567-023-02362-3

يتكون فريق البحث من 10 باحثين في مجال الأرز من أربعة مختبرات. أعدت مجموعة بحث الفيزيائي بينجتشينج داي عدة نماذج للتحقق التجريبي، وأجرت مجموعة بحث بوريس جاكوبسن في قسم علوم المواد وهندسة النانو حسابات أولية لقياس تأثيرات النطاق المسطح الناتجة عن الإحباط الهندسي. تم إجراء تجارب ARPES في مصدر ضوء إشعاع السنكروترون في ستانفورد في مختبر المسرع الوطني SLAC في رايس وكاليفورنيا وفي مصدر ضوء السنكروترون الوطني II في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك، وضم الفريق SLAC وبروكهافن ومعهد بروكهافن الوطني. جامعة واشنطن.

استخدمت الأبحاث الموارد المدعومة بعقد وزارة الطاقة (DOE) مع SLAC (DE-AC02-76SF00515) ومبادرة الأنظمة الكمومية لروبرت أ. ويلش (GBMF9470) من خلال المنح المقدمة من الأحداث الناشئة لمؤسسة جوردون وبيتي مور. المؤسسة (C-2175، C-1411، C-1839)، مكتب علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة (DE-SC0018197)، مكتب القوات الجوية للبحث العلمي (FA9550-21-1-0343، FA9550-21-1- 0356) ، مؤسسة العلوم الوطنية (2100741)، مكتب البحوث البحرية (ONR) (N00014-22-1-2753)، وبرنامج أعضاء هيئة التدريس فانيفار بوش الذي يديره مكتب البحوث البحرية التابع لوزارة الدفاع (ONR-VB) (رقم 00014-23-1-2870).