Учени създадоха уникална сплав със „заключени“ в нея електрони

Откритие в университета Райс открива нови хоризонти в областта на физиката.

В САЩ учени от университета Райс направиха страхотен пробив в областта на квантовата физика, като откриха първия в историята триизмерен кристален метал, в който електроните могат да бъдат „заключени“ на място. Това откритие проправя пътя за търсене на подобни съвсем нов тип материали.

В основата на това откритие е структура, наречена решетката кагоме. Тя е описана за първи път през 1951 г. от японския физик Коди Хушими. Тя представлява двуизмерна решетка с дизайн, подобен на традиционна плетена кошница, и отдавна се използва за изучаване на електроните и техните квантови състояния.

Новият материал е сплав, състояща се от една част мед, две части ванадий и четири части сяра. Той има пирохлорна решетка, състояща се от свързани тетраедри. Геометрията на тази структура, съчетана с квантовите корелации, „заключва“ електроните на място, създавайки квантов интерференчен ефект.

Кимяо Си, физик-теоретик от Университета Райс, обяснява, че откритието може да се оприличи на откриването на нов континент.

„Това е първото изследване, което демонстрира сътрудничеството на геометричните и взаимодействащите си фрустрации, а следващата стъпка – принуждаването на електроните да бъдат в едно и също пространство на върха на енергийната стълбица“, се казва в прессъобщението на университета.

С помощта на фотоемисионна спектроскопия с отчитане на ъгъла (ARPES) учените са успели да определят подробната структура на енергийните зони на сплавта. Те установиха, че те са плоски в няколко направления.

Какво представляват плоските зони? В твърдотелните материали електроните заемат квантови състояния, разделени на няколко зони. Електростатичното отблъскване ограничава броя на електроните във всяка зона, които обикновено са подредени като стъпала на стълба. Нивата на Ферми, термодинамична величина, определят енергийното ниво на най-високата позиция в тази стълба.

В металите и полуметалите локализирането на електроните може да доведе до образуването на плоски електронни зони. Преди това учените са забелязали, че геометричните подредби в структури като кагоме решетки водят до появата на плоски зони. Неотдавнашното откритие е първото, при което подобен ефект се наблюдава в триизмерен материал.

Експерименталният физик Минг И от Университета Райс подчертава, че в този материал са важни и двата вида физика: геометричната фрустрация и корелационните ефекти, които създават плоска зона на нивото на Ферми.

Изследователският екип сподели и техниката, която им е позволила да открият тази сплав, в статия, публикувана в Nature Physics. Очаква се това да помогне на други изследователи да идентифицират материали с плоски електронни зони, дължащи се на силни електронни корелации.

„Това е само върхът на айсберга“, каза Йи в съобщение за пресата. „Тя е 3D, което само по себе си е новост, и като се има предвид колко невероятни открития са направени при решетките на кагоме. Може да се предположи, че в пирохлорните материали могат да бъдат направени още по-вълнуващи открития“.