Ученые создали уникальный сплав с “запертыми” внутри электронами

В США ученые из Университета Райса совершили прорыв в квантовой физике, обнаружив первый в истории трехмерный кристаллический металл, в котором электроны могут быть "заблокированы" на месте. Это открытие открывает дорогу к поиску подобных материалов.

Основой этого открытия стала структура, названная кагоме решеткой, впервые описанная в 1951 году японским физиком Коди Хусими. Она представляет собой двумерную решетку с узором, похожим на традиционную плетеную корзину, и уже давно используется для изучения электронов и их квантовых состояний.

Новый материал представляет собой сплав, состоящий из одной части меди, двух частей ванадия и четырех частей серы. Он имеет пирохлоровую решетку, состоящую из соединенных тетраэдров. Геометрия этой структуры в сочетании с квантовыми корреляциями "запирает" электроны на месте, создавая эффект квантового вмешательства.

Как объясняет теоретический физик из Университета Райса Кимиао Си, это открытие можно сравнить с нахождением нового континента. "Это первое исследование, демонстрирующее сотрудничество геометрически и взаимодействующих фрустраций, а также следующий этап — заставляющий электроны находиться в одном пространстве на вершине энергетической лестницы," - говорится в пресс-релизе университета.

Используя метод спектроскопии углового разрешения фотоэмиссии (ARPES), ученые смогли определить детальную структуру энергетических зон сплава. Они обнаружили, что они плоские в нескольких направлениях.

Что такое плоские зоны? В твердотельных материалах электроны занимают квантовые состояния, разделенные на несколько зон. Электростатическое отталкивание ограничивает количество электронов в каждой зоне, которые обычно устроены как ступени лестницы. Уровни Ферми, термодинамическая величина, определяют уровень энергии наивысшей позиции в этой лестнице.

В металлах и полуметаллах локализация электронов может приводить к образованию электронных плоских зон. Ранее ученые отмечали, что геометрическое расположение в структурах, подобных кагоме решеткам, порождает плоские зоны. Недавнее открытие стало первым, где подобный эффект наблюдается в 3D материале.

Экспериментальный физик Мин Йи из Университета Райса подчеркнул, что в данном материале важны оба типа физики: геометрическая фрустрация и корреляционные эффекты, которые создают плоскую зону на уровне Ферми.

Исследовательская группа также поделилась методикой, которая позволила им обнаружить этот сплав, в опубликованной в журнале Nature Physics статье. Ожидается, что это поможет другим исследователям идентифицировать материалы с электронными плоскими зонами из-за сильных электронных корреляций.

"Это только вершина айсберга," - сказал Йи в пресс-релизе. "Это 3D, что само по себе ново, и учитывая, сколько удивительных открытий было сделано на кагоме решетках, можно предположить, что в пирохлоровых материалах могут быть сделаны еще более захватывающие открытия."