Bu resim, yeni bir kuantum malzemenin katmanları arasındaki elektronik çekişmenin, atomik kafesini nasıl çarpıcı bir balıksırtı benzeri desene dönüştürdüğünü gösteriyor. Malzemeyi yaratan SLAC ve Stanford’daki bilim adamları, bu ‘dev’ bozulmanın malzemenin özelliklerini nasıl etkilediğini keşfetmeye yeni başlıyorlar. Kredi:
Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı
Malzemenin atomik katmanları arasındaki elektronik bir mücadeleyle oluşturulan bu “çarpıcı” balıksırtı modeli, araştırmacıların yeni başladığı benzersiz özelliklerle sonuçlanabilir. araştırmak için.
Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi’ndeki bilim adamları, atomik çerçevesi büyük ölçüde bir balıksırtı modeline dönüşen yeni bir kuantum materyali geliştirdiler.
Göre çalışmanın baş araştırmacısı ve SLAC’daki Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde (SIMES) doktora sonrası araştırmacı olan Woo Jin Kim’e göre, bu malzemeden kaynaklanan bozulmalar, diğer malzemelerdeki bozulmalara kıyasla “çok büyük”.
“Bu çok temel bir sonuç, dolayısıyla bundan neyin çıkıp çıkmayacağına dair tahminlerde bulunmak zor, ancak olasılıklar heyecan verici,” dedi SLAC/Stanford Profesörü ve SIMES Direktörü Harold Hwang.
{ 9}”Ekibimizin üyelerinden alınan teorik modellemeye göre, yeni malzemenin ilgi çekici manyetik, yörüngesel ve şarj sırası özelliklerine sahip olduğu görülüyor ve bunları daha fazla araştırmayı planlıyoruz” dedi. Bilim adamlarının kuantum malzemelere şaşırtıcı özelliklerini kazandırdığını düşündükleri özelliklerden bazıları bunlar.
Araştırma ekibi çalışmalarını Nature dergisinde yayınlanan bir makalede anlattı.
SLAC ve Stanford’daki deneylerde araştırmacılar, oksijen katmanlarını kimyasal olarak kaldırarak, oktahedral ve tetrahedral katmanlardan oluşan ve kahverengi millerit olarak bilinen soldaki malzemenin atomik yapısını değiştirdiler, tıpkı Jenga oyuncularının bir yığından tahta blokları dikkatlice çıkarması gibi. Ortaya çıkan malzeme, Jahn-Teller etkisinin neden olduğu katmanları arasındaki elektronik bir çekişmeyle dramatik bir şekilde bir balıksırtı desenine dönüştü. Kredi: Woo Jin Kim/SIMES
Yüksek binalar ve oktahedronlar
Balıksırtı desenli malzeme, Jahn-Teller (JT) etkisi denen şeyin katmanlı bir yapıdaki ilk gösterimidir. eşit aralıklı zeminlere sahip yüksek katlı bir bina gibi düz, düzlemsel kafesli bir malzeme.
JT etkisi, bir elektronun bir iyona (bir veya daha fazla elektronu eksik olan bir atom) yaklaştığında karşılaştığı ikilemi ele alır.{ 5}
Yerde yuvarlanan bir topun durup alçak bir noktaya yerleşmesi gibi, elektron da atomun en düşük enerji durumuna sahip elektron orbitallerindeki boşluğu arayıp dolduracaktır. Ancak bazen eşit derecede düşük enerjiye sahip iki boş pozisyon vardır. O zaman ne olacak?
İyon bir moleküldeyse veya bir kristalde gömülüyse, JT etkisi, çevreleyen atomik kafesi, en düşük enerji durumunda yalnızca bir boşluk bırakacak şekilde bozarak elektronun sorunu olan Hwang’ı çözer. dedi.
Ve tüm kristal kafes JT iyonlarından oluştuğunda, bazı durumlarda genel kristal yapı eğilir, böylece elektronun ikilemi tüm iyonlar için işbirliği içinde çözülür.
Bu, bu çalışma.
Negatif yüklü kobalt iyonları ile pozitif yüklü kalsiyum iyonları arasındaki elektronik çekişmeyle üretilen yeni bir kuantum malzemedeki bozulmaları gösteren çizim. Jahn-Teller etkisi olarak bilinen olayda, her bir kobalt iyonu, atomik kafesi daha önce görülmemiş bir şekilde okların yönünde bükerek, üstündeki ve altındaki katmanlardan kalsiyum iyonlarını çekmeye çalışır. Kredi: Woo Jin Kim/SIMES
“Jahn-Teller etkisi, elektronlar arasında ve elektronlar ile kafes arasında güçlü etkileşimler yaratır” dedi Hwang. “Bunun, bazı kuantum malzemelerinin fiziğinde kilit roller oynadığı düşünülüyor.”
JT etkisi, tek moleküller ve oktahedral veya dört yüzlü yapılarda düzenlenmiş iyonlardan oluşan 3B kristal malzemeler için zaten gösterilmişti. . Aslında, manganez veya bakır bazlı JT oksitler devasa manyetodirenç ve yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik sergiler; bu da bilim insanlarının diğer elementlere dayalı veya farklı bir yapıya sahip malzemelerde ne olacağını merak etmesine yol açar.
Bu çalışmada, SIMES araştırmacılar, farklı bir oktahedral ve tetrahedral katman istifine sahip olan ve kahverengi millerit olarak bilinen kobalt, kalsiyum ve oksijenden (CaCoO2.5) oluşan bir malzemeyi, JT etkisinin gerçekleşebileceği katmanlı bir malzemeye (CaCoO2) dönüştürdü. İlk nikel oksit süper iletkenini yapmak için birkaç yıl önce SIMES’te geliştirilen kimyasal bir numarayla yaptılar.
Jenga bloklarını çıkarma
Kim, ince bir kahverengi millerit filmi sentezledi ve tek katmanları kimyasal olarak çıkardı Tıpkı oyuncuların dikkatlice bir Jenga kulesinden blokları kaldırması gibi, kafesinden oksijen atomları. Kafes çöktü ve negatif yüklü kobalt iyonları (JT iyonları) ve pozitif yüklü kalsiyum iyonları içeren dönüşümlü katmanlarla düz, düzlemsel bir konfigürasyona yerleşti.
Her kobalt iyonu, üstteki ve alttaki katmanlardan kalsiyum iyonlarını çekmeye çalıştı dedi Kim.
“Bitişik katmanlar arasındaki bu çekişme, oyundaki güçler arasındaki en iyi ve en uyumlu uzlaşmayı yansıtan güzel bir bozulma modeline yol açtı” dedi. “Ve ortaya çıkan kafes bozulmaları, diğer malzemelerdekilere kıyasla çok büyük – kafesteki iyonlar arasındaki mesafenin %25’ine eşit.”
Hwang, araştırma ekibinin X ile bu olağanüstü yeni elektronik konfigürasyonu keşfedeceğini söyledi. -ray araçları SLAC’ta ve başka yerlerde mevcuttur. “Ayrıca, bu malzemeyi uyuşturabilirsek ne olacağını merak ediyoruz – hareket etmekte serbest olan elektronların sayısını değiştirmek için bazı atomları başkalarıyla değiştirerek” dedi. “Birçok heyecan verici olasılık var.”
Referans: “Sonsuz katmanlı kafeste Jahn–Teller düzeninin geometrik hayal kırıklığı”, 22 Şubat 2023, Woo Jin Kim, Michelle A. Smeaton, Chunjing Jia, Berit H . Goodge, Byeong-Gwan Cho, Kyuho Lee, Motoki Osada, Daniel Jost, Anton V. Ievlev, Brian Moritz, Lena F. Kourkoutis, Thomas P. Devereaux ve Harold Y. Hwang, 22 Şubat 2023, Nature.
{ 18}DOI: 10.1038/s41586-022-05681-2
Cornell Üniversitesi’nden araştırmacılar, Güney Kore’deki Pohang Hızlandırıcı Laboratuvarı ve ABD’de bir DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Nano Ölçekli Malzeme Bilimleri Merkezi Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, bu çalışmaya katkıda bulunmuştur. DOE Bilim Ofisi ve Gordon ve Betty Moore Vakfı’nın Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative’inden büyük bir fon aldı.