科学者たちは電子が静止している奇妙な物質を発見した

新しい研究により、フラットスケール 3D マテリアルのガイド付き検出方法が検証されました。

ライス大学の科学者たちは、量子相関と結晶構造の幾何学形状が組み合わさって電子の動きを妨げ、電子を所定の位置に保持する、この種では初めての材料である 3D 結晶金属を発見しました。

この発見は、 自然物理学。 この論文では、研究チームをこの材料に導いた理論的な設計原理と実験方法についても説明しています。 銅 1 部、バナジウム 2 部、硫黄 4 部 合金 コーナーを共有する四面体で構成される 3D パイロクロア格子が特徴です。

量子もつれと電子局在化

研究の共著者でライス大学の実験物理学者であるミン・イー氏は、「私たちは物質の新たな状態や、まだ発見されていない新たなエキゾチックな特徴を潜在的に持つ物質を探している」と述べた。

量子材料は、特に量子もつれを引き起こす強力な電子相互作用を含む場合、研究の場となる可能性があります。 もつれは、電子の移動が阻害されて所定の位置に固定されるなど、奇妙な電子的挙動を引き起こします。

「この量子干渉効果は、池の表面を波打ち、正面からぶつかる波のようなものです」とイー氏は語った。 「衝突により、動かない定在波が生成されます。幾何学的に破壊された格子材料の場合、破壊的に干渉するのは電子波の機能です。

ライス大学博士研究員の Jianwei Huang 氏は、銅バナジウム合金の特定角度光電子放出分光実験を行うために使用した実験装置を共有しました。 実験の結果、この合金は、三次元結晶構造と強い量子相互作用が電子の動きを妨げ、電子を所定の位置に保持し、その結果平坦な電子バーが得られる、既知の最初の材料であることが示されました。 クレジット: Jeff Vitello/ライス大学

金属および半金属における電子の局在化により、平坦な電子ドメイン、つまりフラットバンドが生成されます。 近年、物理学者は、カゴメ格子などの一部の 2D 結晶における原子の幾何学的配置によっても平坦なリボンが生成されることを発見しました。 新しい研究は、3D 物質における効果の実験的証拠を提供します。

高度な技術と驚くべき結果

角度分解光電子放出分光法 (ARPES) と呼ばれる実験手法を使用して、Ye 氏と、この研究の筆頭著者である彼女の研究室のポスドク研究員である Jianwei Huang 氏は、銅 – バナジウム – 硫黄のリボン構造を詳しく調べ、それが独特の平坦なリボンを形成していることを発見しました。いくつかの方法で。

「この材料では両方のタイプの物理学が重要であることがわかりました」とイー氏は言いました。 「理論が予測したように、幾何学的なフラストレーションの側面が存在しました。嬉しい驚きは、フェルミレベルでフラットバンドを生成する相関効果も存在し、物理的特性の決定に積極的に関与できることです。」

黄建偉。 クレジット: Jeff Vitello/ライス大学

固体では、電子はバンドに分割された量子状態を占めます。 これらの電子バンドははしごの段と考えることができ、静電反発により各段を占有することができる電子の数が制限されます。 物質の固有の特性であり、バンド構造を決定するための重要な特性であるフェルミ準位は、はしご上の最も高い占有位置のエネルギー準位を指します。

理論的な洞察と将来の方向性

ライス氏は理論物理学者であり、この研究の共著者であるキミアオ・シー氏の研究グループは、銅バナジウム合金とそのピロ塩素結晶構造が、幾何学形状と強力な電子相互作用によるフラストレーション効果の組み合わせの潜在的なホストであることを特定し、この発見を発見に例えた。新しい大陸。 。

「これは、エンジニアリングのフラストレーションと相互作用の間のコラボレーションだけでなく、電子を（エネルギー）はしごの最上部の同じ空間に配置するという次の段階を実証する最初の研究であり、そこでは最大限の機会が得られます。」それらを新しいフェーズに再編成します」と Si 氏は言いました。興味深いものであり、効果的である可能性があります。

同氏は、同氏の研究グループが研究で使用した予測方法論や設計原理は、他の結晶格子構造をもつ量子材料を研究する理論家にも役立つ可能性があると述べた。

「パイロクロールだけが町のゲームではないんです」とシーさんは言う。 「これは、理論家が強い電子相関によりフラットバンドが生じる材料を予測的に特定できるようにする新しい設計原理です。」

パイロクロア結晶にはさらなる実験的探査の余地も大いにあるとイー氏は語った。

「これは氷山の一角にすぎません」と彼女は付け加えた。 「これは三次元であり、新しいことであり、カゴメのネットワークで得られた驚くべき成果の数を考えると、パイロクロア材料でも同様、あるいはそれ以上に刺激的な発見があるかもしれないと想像します。」

参考文献：「フラットスケールパイロクロア格子における非フェルミ流体挙動」Jianwei Huang、Li Chen、Yufei Huang、Chandan Seti、Bin Gao、Yue Shi、Xiaoyu Liu、Yichen Zhang、Turgut Yilmaz、Elio Vescovo、Makotobashi、ルー・ドンウェイ、ボリス I. ジェイコブソン、ピンチェン・ダイ、ジュンハオ・チョウ、キミアオ・シー、ミン・イー、2024年1月26日、 自然物理学。
土井: 10.1038/s41567-023-02362-3

研究チームには4つの研究室からのライス研究者10人が含まれていた。 物理学者 Pingqing Dai の研究グループは実験検証に必要ないくつかのサンプルを作成し、材料科学およびナノ工学部門の Boris Jakobsson の研究グループは幾何学的なフラストレーションから生じるフラットバンド効果を定量化する予備計算を実行しました。 ARPES実験は、ライス研究所とカリフォルニアにあるSLAC国立研究所のシンクロトロン光源II、およびニューヨークのブルックヘブン国立研究所にある第2国立シンクロトロン光源で実施され、チームにはSLAC、ブルックヘブン国立研究所、ブルックヘブン国立研究所の協力者が含まれていた。 ワシントン大学。

この研究は、SLAC とのエネルギー省 (DOE) 契約 (DE-AC02-76SF00515) によって支援されたリソースを使用し、ゴードンおよびベティ ムーア財団の量子システムにおける新たな現象イニシアチブ (GBMF9470) およびロバート A からの助成金によって支援されました。 . ウェルチ財団。 エンタープライズ (C-2175、C-1411、C-1839)、エネルギー省基礎エネルギー科学局 (DE-SC0018197)、空軍科学研究局 (FA9550-21-1-0343、FA9550-21-1-) 0356 ）、国立科学財団（2100741）、海軍研究局（ONR）（N00014-22-1-2753）、国防総省基礎研究局（ONR-VB）のONRが管理するヴァネバー・ブッシュ教員フェロー・プログラム）番号00014-23-1-2870）。