Il lavoro introduce un modo completamente nuovo di creare e studiare metalli strani, i cui elettroni si comportano in modo diverso rispetto a quelli di un metallo convenzionale come il rame. "Si tratta di un potenziale nuovo approccio alla progettazione di questi materiali insoliti", afferma Joseph G. Checkelsky, ricercatore principale della ricerca e professore associato di fisica.

Linda Ye, dottorato di ricerca del MIT. '21, è il primo autore di un articolo sul lavoro pubblicato all'inizio di quest'anno su Nature Physics . "Un nuovo modo di produrre metalli strani ci aiuterà a sviluppare una teoria unificante dietro il loro comportamento. Finora questo è stato piuttosto impegnativo e potrebbe portare a una migliore comprensione di altri materiali, compresi i superconduttori ad alta temperatura", afferma Ye, ora ricercatore professore assistente presso il California Institute of Technology.

La Fisica della Natura il documento è accompagnato da un articolo di News &Views intitolato "Uno strano modo per ottenere uno strano metallo."

Nel 2018 Checkelsky e molti degli stessi colleghi hanno riferito di una classe di materiali quantistici noti come metalli kagome. I membri della famiglia dei metalli kagome sono composti da strati di atomi disposti in un reticolo di unità ripetitive simili a una stella di David o al distintivo dello sceriffo. Il motivo è comune anche nella cultura giapponese, in particolare come motivo dell'intreccio di cesti.

"Eravamo interessati al reticolo di Kagome perché la teoria mostrava che dovrebbe ospitare una serie di caratteristiche interessanti per gli elettroni che vi si trovano", spiega Linda Ye. Infatti, nel loro articolo del 2018 Ye, Checkelsky e colleghi tra cui Riccardo Comin e Liang Fu (anche lui della fisica del MIT) hanno riferito che il loro nuovo metallo Kagome ha prodotto fermioni di Dirac, particelle quasi prive di massa simili ai fotoni che trasportano la luce.

"In quel caso, i fermioni di Dirac erano più o meno attesi dai calcoli", dice Ye. Ma gli strani metalli scoperti nel lavoro attuale erano del tutto inaspettati e "ci stanno davvero portando a un nuovo regime", afferma.

Dopo la scoperta dei fermioni di Dirac, i ricercatori volevano vedere se riuscivano a trovare "una caratteristica ancora più interessante nel reticolo di Kagome chiamata banda piatta", dice Ye. Questo è un fenomeno in cui gli elettroni restano sostanzialmente fermi, sebbene ciascuno ruoti ancora attorno al proprio asse.

Far sì che gli elettroni rimangano fermi consente loro di parlare davvero tra loro. Ed è allora che accadono tutte le cose veramente interessanti nella fisica della materia condensata.

Cerco un cinturino piatto

Più specificamente, il team stava cercando una fascia piatta al livello di Fermi, che può essere pensata come la superficie dell’oceano. Lo trovarono e iniziarono a esplorare le proprietà elettriche del sistema mentre era sottoposto ad alta pressione e a un campo magnetico.

Hanno scoperto che gli elettroni nella banda piatta interagiscono fortemente con gli altri elettroni del sistema. Il risultato, dice Ye, può essere paragonato ancora una volta all’oceano. Gli elettroni imperturbati nella banda piatta possono essere pensati come un mare calmo. Una volta che iniziano a interagire con gli altri intorno a loro, il mare calmo diventa una tempesta in tempesta con gli elettroni che agiscono in due modi diversi. Il risultato:uno strano metallo.

"Sapevamo che la banda piatta avrebbe prodotto qualcosa di interessante, ma non sapevamo esattamente cosa ci avrebbe dato. E quello che abbiamo trovato è un metallo strano", dice Ye.

Nota che il lavoro mostra che il reticolo di Kagome è un "principio di progettazione molto importante per i nuovi stati elettronici". Di conseguenza, ora mira ad estendere il lavoro ad altri reticoli.

La scoperta è il risultato di anni di ricerca. Lei stessa ha iniziato a esplorare i sistemi kagome intorno al 2015. "È stato un progetto lungo", afferma. "È stato davvero gratificante costruire tutto questo passo dopo passo e trovare molte cose interessanti lungo il percorso."

I coautori del MIT di Ye e Checkelsky sono Shiang Fang, un associato postdoc di fisica del MIT; Mingu Kang, dottorato di ricerca del MIT. '23, ora alla Cornell University; Yonghun Lee, uno studente universitario in visita; Caolan John e Paul M. Neves, studenti laureati in fisica del MIT; S.Y. Frank Zhao, un associato post-dottorato di fisica del MIT; e Riccardo Comin, professore associato di fisica della classe del 1947 per lo sviluppo della carriera.

Altri autori sono Josef Kaufmann dell'Università della Tecnologia di Vienna e dell'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick ed Eli Rotenberg, tutti del Lawrence Berkeley National Laboratory; Efthimios Kaxiras e David C. Bell dell'Università di Harvard; e Oleg Janson dell'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali.