Physiker enthüllen eine seltsame Kristallform, in der sich Elektronen nicht bewegen können: ScienceAlert

Quantenverkehrsgesetze, die auf die 3D-Straßen eines bestimmten Kristalltyps angewendet werden, könnten die elektronische Hauptverkehrszeit bremsen.

Auf der Suche nach neuen Materialien, die neue und exotische Materiezustände enthalten könnten, führten Physiker der Rice University in den USA ein Experiment durch, bei dem freie Elektronen gezwungen wurden, an Ort und Stelle zu bleiben.

Dieses Phänomen wurde zwar bei Materialien beobachtet, in denen Elektronen gebunden sind Nur noch zweiDies ist das erste Mal, dass es in einem dreidimensionalen kristallinen Mineralgitter, bekannt als Pyrochlor, beobachtet wurde. Diese Technik gibt Forschern ein neues Werkzeug an die Hand, um die weniger konventionellen Aktivitäten ladungstragender Teilchen zu untersuchen.

„Wir suchen nach Materialien, die möglicherweise neue Aggregatzustände oder neue exotische Merkmale aufweisen, die noch nicht entdeckt wurden.“ sagen Der Physiker Ming Yi von der Rice University.

So wie Licht auf ähnliche Weise wie Wellen und Teilchen beschrieben werden kann, können auch die Bausteine ​​von Atomen beschrieben werden.

Das Quantenwellenverhalten von Elektronen ist wichtig für das Verständnis, wie ihre Aktivität unter bestimmten Bedingungen koordiniert wird. Nach dem Abkühlen können sich die Elektronenwellen in Verschränkungsvorgängen miteinander verbinden, die es ihnen ermöglichen, wie Geister durch feste Materialien zu gleiten, wodurch energieeffiziente Materialien, sogenannte Supraleiter, entstehen.

Das Elektronenverhalten kann auf andere Weise gesteuert werden. Durch die Anordnung der richtigen Proportionen der Elemente entstehen einzigartige Kreuzungen, die ein wenig wie Ampeln aussehen und das, was ein chaotisches Treiben von Fußgängern und Pendlern sein könnte, in ein sanftes Kriechen verwandeln Technische Frustration.

Perchlorat Es handelt sich um komplexe Mineralien mit einer spezifischen Struktur, die sie für eine Reihe von Forschungs- und Industriezwecken nützlich macht. Durch den Bau einer solchen Mischung aus Kupfer, Vanadium und Schwefel erhielten die Forscher ein künstliches Folienmetall, das Elektronenwellen auf Drosselstellen richten kann.

„Dieser Quanteninterferenzeffekt ist wie Wellen, die über die Oberfläche eines Teiches kräuseln und frontal aufeinander treffen.“ sagen Ja.

„Durch die Kollision entsteht eine stationäre Welle, die sich nicht bewegt. Bei geometrisch frustrierten Gittermaterialien sind es die elektronischen Wellenfunktionen, die destruktiv interferieren.“

Eine Technik namens Spezifische Winkel-Photoemissionsspektroskopie Dadurch konnte das Team die Energie und den Impuls der Elektronen im 3D-Gitter messen und zeigen, dass das eine nicht so stark vom anderen abhängt wie üblich.

In diesem außergewöhnlichen Raum namens A Flaches BandWechselwirkungen zwischen passiven Elektronen unterliegen anderen Regeln, die Physikern theoretisch eine neue Möglichkeit bieten könnten, elektromagnetische Phänomene wie die Supraleitung zu verstehen.

Während ähnliche lokalisierte Elektronen in 2D-Materialien, die als Kagome-Gitter bekannt sind, beobachtet wurden, liefert das Auftreten eines flachen Bandes interferierender Wellen, die sich ihren Weg durch ein 3D-Gitter bahnen, einen Beweis für das Konzept, das zu einer völlig neuen Materialklasse führen könnte.

„Pyrochlor ist nicht das einzige Spiel in der Stadt.“ sagen Kimiao Si, Physiker der Rice University.

„Dies ist ein neues Designprinzip, das es Theoretikern ermöglicht, Materialien vorhersagbar zu identifizieren, in denen aufgrund starker elektronischer Korrelationen flache Bänder entstehen.“

Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.