Gli scienziati della Rice University hanno scoperto un materiale unico nel suo genere, un metallo cristallino 3D in cui le correlazioni quantistiche e la geometria della struttura cristallina si combinano per ostacolare il movimento degli elettroni e bloccarli in posizione.
La scoperta è dettagliata in uno studio pubblicato su Nature Physics . 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, la lega presenta 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 Yi, un fisico sperimentale della Rice.
I materiali quantistici sono probabilmente il luogo in cui cercare, soprattutto se ospitano forti interazioni elettroniche che danno origine all’entanglement quantistico. L'entanglement porta a strani comportamenti elettronici, tra cui 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 di 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 angolo, o ARPES, Yi e l'autrice principale dello studio Jianwei Huang, una ricercatrice post-dottorato nel suo laboratorio, hanno dettagliato la struttura delle bande del materiale rame-vanadio-zolfo e hanno scoperto che ospitava una banda piatta che è unico 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 c'erano anche effetti di correlazione che producevano la banda piatta al 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. Queste bande elettroniche possono essere immaginate come pioli su una scala e la repulsione elettrostatica limita il numero di elettroni che possono occupare ciascun piolo. Il livello di Fermi, una proprietà intrinseca dei materiali e cruciale per determinare la loro struttura a bande, si riferisce al livello energetico della posizione occupata più alta sulla scala.
Il fisico teorico della Rice e autore co-corrispondente dello studio Qimiao Si, il cui gruppo di ricerca ha identificato la lega rame-vanadio e la sua struttura cristallina di pirocloro come possibile ospite per gli 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 in assoluto a mostrare 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 detto 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 spiegato 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."
Il gruppo di ricerca comprendeva 10 ricercatori della Rice provenienti da quattro laboratori. Il gruppo di ricerca del fisico Pengcheng Dai ha prodotto i numerosi campioni necessari per la verifica sperimentale, mentre il gruppo di ricerca di Boris Yakobson presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria ha eseguito calcoli di principio primo che hanno quantificato gli effetti a banda piatta prodotti dalla frustrazione geometrica.
Gli esperimenti ARPES sono stati condotti alla Rice e alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource dello SLAC National Accelerator Laboratory in California e alla National Synchrotron Light Source II del Brookhaven National Laboratory a New York, e il team comprendeva collaboratori dello SLAC, di Brookhaven e dell'Università di Washington.
Ulteriori informazioni: Jianwei Huang et al, Comportamento del liquido non Fermi in un reticolo di pirocloro a banda piatta correlato, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02362-3
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dalla Rice University
