Οι φυσικοί και οι συνεργάτες του MIT ανακάλυψαν τη «μυστική σάλτσα» πίσω από ορισμένες από τις εξωτικές ιδιότητες ενός νέου κβαντικού υλικού που έχει μπερδέψει τους φυσικούς λόγω αυτών των ιδιοτήτων, οι οποίες περιλαμβάνουν την υπεραγωγιμότητα. Αν και οι θεωρητικοί είχαν προβλέψει τον λόγο για τις ασυνήθιστες ιδιότητες του υλικού, που είναι γνωστό ως μέταλλο καγκόμε, αυτή είναι η πρώτη φορά που το φαινόμενο πίσω από αυτές τις ιδιότητες έχει παρατηρηθεί στο εργαστήριο.

«Η ελπίδα είναι ότι η νέα κατανόησή μας για την ηλεκτρονική δομή του α καγκόμε Το μέταλλο θα μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε μια πλούσια πλατφόρμα για να ανακαλύψουμε άλλους κβαντικά υλικά», λέει ο Riccardo Comin, Επίκουρος Καθηγητής Φυσικής Ανάπτυξης Καριέρας του 1947 στο MIT, του οποίου η ομάδα ηγήθηκε της μελέτης. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία υπεραγωγών, νέες προσεγγίσεις στον κβαντικό υπολογισμό και άλλες κβαντικές τεχνολογίες.

Η εργασία αναφέρεται στο διαδικτυακό τεύχος του περιοδικού στις 13 Ιανουαρίου 2022 Φυσική της Φύσης.

Η κλασική φυσική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει οποιονδήποτε αριθμό φαινομένων που κρύβονται πίσω από τον κόσμο μας – έως ότου τα πράγματα γίνουν εξαιρετικά μικρά. Τα υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ συμπεριφέρονται διαφορετικά, με τρόπους που ακόμα δεν είναι πλήρως κατανοητοί. Εισαγάγετε την κβαντομηχανική, το πεδίο που προσπαθεί να εξηγήσει τη συμπεριφορά τους και τα αποτελέσματα που προκύπτουν.

Το μέταλλο καγκόμη στην καρδιά της τρέχουσας εργασίας είναι ένα νέο κβαντικό υλικό ή ένα υλικό που εκδηλώνει τις εξωτικές ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής σε μακροσκοπική κλίμακα. Το 2018 ο Comin και ο Joseph Checkelsky, Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής Ανάπτυξης Σταδιοδρομίας του MIT στο MIT, οδήγησαν την πρώτη μελέτη σχετικά με την ηλεκτρονική δομή των μετάλλων καγκόμη, κεντρίζοντας το ενδιαφέρον για αυτήν την οικογένεια υλικών. Τα μέλη της οικογένειας μετάλλων kagome αποτελούνται από στρώματα ατόμων που είναι διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενες μονάδες παρόμοιες με ένα αστέρι του Δαβίδ ή το σήμα του σερίφη. Το σχέδιο είναι επίσης κοινό στην ιαπωνική κουλτούρα, ιδιαίτερα ως μοτίβο καλαθοπλεκτικής.

«Αυτή η νέα οικογένεια υλικών έχει προσελκύσει πολλή προσοχή ως μια πλούσια νέα παιδική χαρά για την κβαντική ύλη που μπορεί να παρουσιάσει εξωτικές ιδιότητες όπως η αντισυμβατική υπεραγωγιμότητα, η νηματικότητα και κύματα φορτίου-πυκνότητας», λέει ο Comin.

Ασυνήθιστες ιδιότητες

Η υπεραγωγιμότητα και οι υπαινιγμοί της τάξης κυμάτων πυκνότητας φορτίου στη νέα οικογένεια μετάλλων καγόμη που μελέτησαν ο Comin και οι συνεργάτες του ανακαλύφθηκαν στο εργαστήριο του καθηγητή Stephen Wilson στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, όπου συντέθηκαν επίσης μονοκρυστάλλοι (Ο Wilson είναι συν-συγγραφέας του ο Φυσική της Φύσης χαρτί). Το συγκεκριμένο υλικό kagome που εξερευνήθηκε στην τρέχουσα εργασία αποτελείται από τρία μόνο στοιχεία (καισίου, βανάδιο και αντιμόνιο) και έχει τον χημικό τύπο CsV3Sb5.

Οι ερευνητές εστίασαν σε δύο από τις εξωτικές ιδιότητες που παρουσιάζει ένα μέταλλο καγκόμε όταν ψύχεται κάτω από τις θερμοκρασίες δωματίου. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια στο υλικό αρχίζουν να παρουσιάζουν συλλογική συμπεριφορά. «Μιλούν μεταξύ τους, σε αντίθεση με το να κινούνται ανεξάρτητα», λέει ο Comin.

Μία από τις ιδιότητες που προκύπτουν είναι η υπεραγωγιμότητα, η οποία επιτρέπει σε ένα υλικό να μεταφέρει ηλεκτρισμό εξαιρετικά αποτελεσματικά. Σε ένα κανονικό μέταλλο, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν άνθρωποι που χορεύουν μεμονωμένα σε ένα δωμάτιο. Σε έναν υπεραγωγό καγκόμη, όταν το υλικό ψύχεται στα 3 Kelvin (~-454 Fahrenheit), τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται σε ζεύγη, σαν ζευγάρια σε έναν χορό. «Και όλα αυτά τα ζευγάρια κινούνται από κοινού, σαν να ήταν μέρος μιας κβαντικής χορογραφίας», λέει ο Comin.

Στα 100 Kelvin, το υλικό kagome που μελετήθηκε από τον Comin και τους συνεργάτες του παρουσιάζει ένα άλλο παράξενο είδος συμπεριφοράς που είναι γνωστό ως κύματα πυκνότητας φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια διατάσσονται σε σχήμα κυματισμών, όπως αυτά σε έναν αμμόλοφο. «Δεν πάνε πουθενά· έχουν κολλήσει στη θέση τους», λέει ο Comin. Μια κορυφή στον κυματισμό αντιπροσωπεύει μια περιοχή που είναι πλούσια σε ηλεκτρόνια. Μια κοιλάδα είναι φτωχή σε ηλεκτρόνια. “Τα κύματα πυκνότητας φορτίου είναι πολύ διαφορετικά από έναν υπεραγωγό, αλλά εξακολουθούν να είναι μια κατάσταση ύλης όπου τα ηλεκτρόνια πρέπει να τακτοποιηθούν με συλλογικό, εξαιρετικά οργανωμένο τρόπο. Δημιουργούν, πάλι, μια χορογραφία, αλλά δεν χορεύουν πια. Τώρα σχηματίζουν ένα στατικό μοτίβο».

Ο Comin σημειώνει ότι τα μέταλλα καγόμη παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τους φυσικούς εν μέρει επειδή μπορούν να εμφανίσουν κύματα υπεραγωγιμότητας και πυκνότητας φορτίου. “Αυτά τα δύο εξωτικά φαινόμενα είναι συχνά σε ανταγωνισμό μεταξύ τους, επομένως είναι ασυνήθιστο για ένα υλικό να φιλοξενεί και τα δύο.”

Η μυστική σάλτσα;

Τι κρύβεται όμως πίσω από την εμφάνιση αυτών των δύο ιδιοκτησιών; “Τι κάνει τα ηλεκτρόνια να αρχίσουν να μιλούν μεταξύ τους, να αρχίσουν να επηρεάζουν το ένα το άλλο; Αυτή είναι η βασική ερώτηση”, λέει ο πρώτος συγγραφέας Mingu Kang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Φυσικής του MIT που επίσης συνδέεται με την ερευνητική πρωτοβουλία Max Planck POSTECH Korea. . Αυτό αναφέρουν οι φυσικοί στο Nature Physics. «Εξερευνώντας την ηλεκτρονική δομή αυτού του νέου υλικού, ανακαλύψαμε ότι τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν μια ενδιαφέρουσα συμπεριφορά γνωστή ως ηλεκτρονική ιδιομορφία», λέει ο Kang. Η συγκεκριμένη μοναδικότητα πήρε το όνομά της από τον Léon van Hove, τον Βέλγο φυσικό που την ανακάλυψε για πρώτη φορά.

Η ιδιομορφία van Hove περιλαμβάνει τη σχέση μεταξύ της ενέργειας και της ταχύτητας των ηλεκτρονίων. Κανονικά, η ενέργεια ενός σωματιδίου σε κίνηση είναι ανάλογη του τετραγώνου της ταχύτητάς του. «Είναι ένας θεμελιώδης πυλώνας της κλασικής φυσικής αυτό [essentially] σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια”, λέει ο Comin. Φανταστείτε μια στάμνα Red Sox να σας χτυπά με μια γρήγορη μπάλα. Στη συνέχεια, φανταστείτε ένα παιδί να προσπαθεί να κάνει το ίδιο. Η μπάλα της στάμνας θα πονούσε πολύ περισσότερο από αυτή του παιδιού, η οποία έχει λιγότερη ενέργεια.

Αυτό που βρήκε η ομάδα Comin είναι ότι σε ένα metal kagome, αυτός ο κανόνας δεν ισχύει πια. Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια που ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες συμβαίνει σε όλα να έχουν την ίδια ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι ότι η γρήγορη μπάλα του pitcher θα είχε το ίδιο σωματικό αποτέλεσμα με αυτό του παιδιού. «Είναι πολύ αντίθετο», λέει ο Comin. Σημείωσε ότι η συσχέτιση της ενέργειας με την ταχύτητα των ηλεκτρονίων σε ένα στερεό είναι προκλητική και απαιτεί ειδικά όργανα σε δύο διεθνείς ερευνητικές εγκαταστάσεις σύγχροτρον: Beamline 4A1 της πηγής φωτός Pohang και Beamline 7.0.2 (MAESTRO) της προηγμένης πηγής φωτός στο Lawrence Berkeley Εθνικό Εργαστήριο.

Σχόλια Ο καθηγητής Ronny Thomale του Universität Würzburg (Γερμανία): “Οι θεωρητικοί φυσικοί (συμπεριλαμβανομένης της ομάδας μου) έχουν προβλέψει την περίεργη φύση των ιδιομορφιών του van Hove στο πλέγμα kagome, μια κρυσταλλική δομή από τρίγωνα που μοιράζονται τις γωνίες. Ο Riccardo Comin έχει τώρα πρώτη πειραματική επαλήθευση αυτών των θεωρητικών προτάσεων». Ο Thomale δεν συμμετείχε στη δουλειά.

Όταν πολλά ηλεκτρόνια υπάρχουν ταυτόχρονα με την ίδια ενέργεια σε ένα υλικό, είναι γνωστό ότι αλληλεπιδρούν πολύ πιο έντονα. Ως αποτέλεσμα αυτών των αλληλεπιδράσεων, τα ηλεκτρόνια μπορούν να ζευγαρώσουν και να γίνουν υπεραγώγιμα ή αλλιώς να σχηματίσουν κύματα πυκνότητας φορτίου. «Η παρουσία μιας μοναδικότητας του van Hove σε ένα υλικό που έχει και τα δύο είναι απολύτως λογική ως η κοινή πηγή για αυτά τα εξωτικά φαινόμενα» προσθέτει ο Kang. «Ως εκ τούτου, η παρουσία αυτής της μοναδικότητας είναι η «μυστική σάλτσα» που επιτρέπει την κβαντική συμπεριφορά των μετάλλων καγόμη».

Η νέα κατανόηση της ομάδας για τη σχέση μεταξύ ενέργειας και ταχυτήτων στο υλικό kagome «είναι επίσης σημαντική γιατί θα μας επιτρέψει να καθιερώσουμε νέες αρχές σχεδιασμού για την ανάπτυξη νέων κβαντικών υλικών», λέει ο Comin. Επιπλέον, “ξέρουμε τώρα πώς να βρούμε αυτή τη μοναδικότητα σε άλλα συστήματα.”

Άμεση ανατροφοδότηση

Όταν οι φυσικοί αναλύουν δεδομένα, τις περισσότερες φορές αυτά τα δεδομένα πρέπει να υποβάλλονται σε επεξεργασία πριν φανεί μια σαφής τάση. Το σύστημα kagome, ωστόσο, «μας έδωσε άμεση ανατροφοδότηση για το τι συμβαίνει», λέει ο Comin. “Το καλύτερο μέρος αυτής της μελέτης ήταν να μπορέσουμε να δούμε τη μοναδικότητα ακριβώς εκεί στα ακατέργαστα δεδομένα.”