Gli scienziati della Rice University hanno scoperto un materiale unico nel suo genere, un metallo cristallino 3D in cui correlazioni quantistiche e la geometria della struttura cristallina si combinano per ostacolare il movimento degli elettroni e bloccarli in posizione.
Jianwei Huang, ricercatore post-dottorato della Rice University, con l’apparato di laboratorio che ha utilizzato per condurre esperimenti di spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo su una lega di rame-vanadio. Gli esperimenti hanno dimostrato che la lega è il primo materiale conosciuto in cui la struttura cristallina 3D e le forti interazioni quantistiche frustrano il movimento degli elettroni e li bloccano in posizione, risultando in una banda elettronica piatta. Illustrazione di Jeff Fitlow/Rice University
Il ritrovamento è dettagliato in uno studio pubblicato in Fisica della natura. L’articolo descrive inoltre il principio teorico di progettazione e la metodologia sperimentale che hanno guidato il gruppo di ricerca verso il materiale. Una parte di rame, due parti di vanadio e quattro parti di zolfo, le caratteristiche della lega un reticolo di pirocloro 3D costituito da tetraedri che condividono gli angoli.
“Cerchiamo materiali in cui ci sono potenzialmente nuovi stati della materia o nuove caratteristiche esotiche che non sono state scoperte”, ha detto l’autore co-corrispondente dello studio Ming Yiun fisico sperimentale della Rice.
Materiali quantistici sono un posto probabile in cui cercare, soprattutto se ospitano interazioni forti tra elettroni che danno origine all’entanglement quantistico. Intreccio porta a strani comportamenti elettronici, inclusa la frustrazione del movimento degli elettroni fino al punto in cui rimangono bloccati sul posto.
“Questo effetto di interferenza quantistica è analogo alle onde che si increspano sulla superficie di uno stagno e si incontrano frontalmente”, ha detto Yi. “La collisione crea un’onda stazionaria che non si muove. Nel caso dei materiali reticolari geometricamente frustrati, sono le funzioni d’onda elettroniche che interferiscono in modo distruttivo”.
La localizzazione degli elettroni nei metalli e semimetalli produce bande elettroniche piatte, o bande piatte. Negli ultimi anni, i fisici hanno scoperto che la disposizione geometrica degli atomi in alcuni cristalli 2D, come i reticoli di Kagome, può anche produrre bande piatte. Il nuovo studio fornisce prove empiriche dell’effetto in un materiale 3D.
Utilizzando una tecnica sperimentale chiamata Spettroscopia di fotoemissione risolta in angoloo ARPES, Yi e autore principale dello studio Jianwei Huangricercatrice post-dottorato nel suo laboratorio, ha dettagliato la struttura a bande del materiale rame-vanadio-zolfo e ha scoperto che ospitava una banda piatta che è unica in diversi modi.
“Si scopre che entrambi i tipi di fisica sono importanti in questo materiale”, ha detto Yi. “L’aspetto geometrico della frustrazione era lì, come la teoria aveva previsto. La piacevole sorpresa è stata che ci sono stati anche effetti di correlazione che hanno prodotto la banda piatta a livello di Fermi, dove può partecipare attivamente alla determinazione delle proprietà fisiche”.
Nella materia allo stato solido, gli elettroni occupano stati quantistici divisi in bande. Questi bande elettroniche possono essere immaginati come pioli su una scala e la repulsione elettrostatica limita il numero di elettroni che possono occupare ciascun piolo. Livello di Fermiuna proprietà intrinseca dei materiali e cruciale per determinare la loro struttura a bande, si riferisce al livello energetico della posizione più alta occupata sulla scala.
Fisico teorico della Rice e autore co-corrispondente dello studio Qimiao Siil cui gruppo di ricerca ha identificato la lega rame-vanadio e la sua struttura cristallina di pirocloro come possibili ospiti di effetti combinati di frustrazione derivanti dalla geometria e dalle forti interazioni elettroniche, ha paragonato la scoperta alla scoperta di un nuovo continente.
“È il primo lavoro a mostrare davvero non solo questa cooperazione tra la frustrazione geometrica e quella guidata dall’interazione, ma anche la fase successiva, che consiste nel far sì che gli elettroni si trovino nello stesso spazio in cima alla scala (energetica), dove c’è la massima possibilità di riorganizzarsi in nuove fasi interessanti e potenzialmente funzionali”, ha affermato Si.
Ha affermato che la metodologia predittiva o principio di progettazione utilizzato dal suo gruppo di ricerca nello studio potrebbe rivelarsi utile anche per i teorici che studiano materiali quantistici con altre strutture reticolari cristalline.
“Il pirocloro non è l’unico gioco in città”, ha detto Si. “Si tratta di un nuovo principio di progettazione che consente ai teorici di identificare in modo predittivo i materiali in cui si formano bande piatte a causa di forti correlazioni elettroniche”.
Yi ha detto che c’è anche molto spazio per ulteriori esplorazioni sperimentali sui cristalli di pirocloro.
“Questa è solo la punta dell’iceberg”, ha detto. “Questo è il 3D, che è nuovo, e considerando quante scoperte sorprendenti sono state fatte sui reticoli di Kagome, immagino che potrebbero esserci scoperte altrettanto o forse anche più entusiasmanti da fare nei materiali piroclorati”.
Fonte: Università del Riso
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