Ученые из Университета Райса обнаружили уникальный материал: трехмерный кристаллический металл, в котором квантовые корреляции и геометрия кристаллической структуры сочетаются, препятствуя движению электронов и заставляя их оставаться на месте.
Это открытие подробно описано в статье, опубликованной в журнале Nature Physics. В исследовании также описаны теоретические принципы проектирования и экспериментальная методология, которые позволили исследовательской группе изучить данный материал. Он состоит из одной части меди, двух частей ванадия и четырех частей серы. Этот сплав имеет трехмерную решетку пирохлора, состоящую из тетраэдров с общими углами.
Квантовые материалы, вероятно, заслуживают особого внимания, особенно если они обладают сильными электронными взаимодействиями, приводящими к квантовой запутанности. Запутанность приводит к странному поведению электронов, включая ограничение их движения настолько, что они остаются на месте.
Локализация электронов в металлах и полуметаллах приводит к образованию плоских электронных зон. В последнее время физики обнаружили, что геометрическое расположение атомов в некоторых двумерных кристаллах, таких как решетки Кагоме, также может создавать плоские зоны. Новое исследование предоставляет эмпирические доказательства этого эффекта в трехмерном материале.
С использованием экспериментального метода, называемого фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением, или APES, и ведущий автор исследования Цзяньвэй Хуан, научный сотрудник ее лаборатории, подробно описал зонную структуру медь-ванадий-сера и обнаружил наличие плоской зоны, которая является уникальной во многих аспектах.
Оказывается, в этом материале существуют оба типа физических явлений. Как предсказывала теория, присутствует геометрическое разочарование. Приятным сюрпризом стало то, что также были обнаружены корреляционные эффекты, которые создали плоскую зону на уровне Ферми, что позволяет ей активно участвовать в определении физических свойств.
В твердом теле электроны занимают квантовые состояния, разделенные на зоны. Эти электронные зоны можно представить как ступени лестницы, а электростатическое отталкивание ограничивает количество электронов, которые могут находиться на каждой ступени. Уровень Ферми, который играет ключевую роль в определении зонной структуры материалов, относится к самой высокой занятой ступени лестницы.
Пирохлор — не единственное удивительное открытие. Это новый принцип проектирования, который позволяет теоретикам прогнозировать материалы, в которых плоские зоны возникают из-за сильных электронных корреляций.
