Kuantum Malzemelerin Gizemlerini Çözmek: Manyetizma Olağandışı Elektronik Düzeni Nasıl Ateşliyor?

Kuantum Malzemelerin Gizemlerini Çözmek: Manyetizma Olağandışı Elektronik Düzeni Nasıl Ateşliyor?
Kuantum Malzemelerin Gizemlerini Çözmek: Manyetizma Olağandışı Elektronik Düzeni Nasıl Ateşliyor?
Abstract Hexagons Neon Glowing Energy Physics Illustration

Fizikçiler, demir-germanyum kristallerindeki manyetik ve elektronik düzenler arasında doğrudan bir bağlantı keşfettiler; burada manyetik ve elektronik modeller yalnızca bir arada değil, aynı zamanda iç içe geçmiş durumda. Bu keşif, Rice Üniversitesi fizikçileri tarafından Nature Physics’te yayınlanan bir çalışmada yapıldı. Araştırmacılar, manyetizmanın malzemedeki elektron enerji durumlarını ustaca değiştirdiğini, yük yoğunluğu dalgasının oluşumunu desteklediğini ve hazırladığını buldular. Bulgular, kuantum malzemelerdeki elektronların davranışına ilişkin yeni bilgiler sağlıyor.

Deneyler, ‘kagome’ metalindeki iç içe geçmiş durumlar arasındaki bağlantıyı ortaya koyuyor.

Fizikçiler şaşırdı 2022’de, manyetik demir-germanyum kristallerindeki elektronların, yüklerini kendiliğinden ve topluca durağan bir dalga içeren bir model halinde organize edebildiğinin keşfedilmesiyle. Manyetizma ayrıca, elektron spinlerinin düzenli kalıplar halinde kolektif olarak kendi kendine örgütlenmesinden kaynaklanır ve bu modeller, fizikçilerin yük yoğunluğu dalgası olarak adlandırdığı durağan elektron dalgasını üreten modellerle nadiren bir arada bulunur.

Bu hafta yayınlanan bir çalışmada Nature Physics dergisinde, Rice Üniversitesi fizikçileri Ming Yi ve Pengcheng Dai ve 2022 çalışmasından ortak çalışanlarının çoğu, yük yoğunluğu dalgası keşfinin daha da nadir olduğunu gösteren bir dizi deneysel kanıt sunuyor. manyetik ve elektronik düzenlerin basitçe bir arada var olmadığı, doğrudan bağlantılı olduğu yer.

“Manyetizmanın, elektron enerjisi durumlarının manzarasını, elektronların oluşumunu hem teşvik edecek hem de hazırlayacak şekilde ustaca değiştirdiğini bulduk. yük yoğunluğu dalgası,” dedi çalışmanın yazarlarından biri olan Yi.

Charge Density Wave FeGe Lattice

(solda) Kagome kafesi; (ortada) bir yük yoğunluğu dalgasının başlangıcından önce demir-germanyumun manyetik fazının Fermi yüzeyi; (sağda) Bir yük yoğunluğu dalgasının başlamasından sonra demir-germanyumun Fermi yüzeyi. Kredi: Ming Yi/Rice Üniversitesi

Araştırma, Rice’tan bir düzineden fazla araştırmacının ortak yazarlığını yaptı; Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL); SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı; Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (LBNL); Washington Üniversitesi; Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley; İsrail Weizmann Bilim Enstitüsü; ve Çin’in Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi.

Demir-germanyum malzemeleri, geleneksel Japon kagome sepetlerindeki örgü modelini anımsatan atomların 2B düzenlemelerine sahip, çok çalışılmış bir malzeme ailesi olan kagome kafes kristalleridir. köşelerde birbirine değen eşkenar üçgenler.

“Kagome malzemeleri son zamanlarda kuantum malzemeleri dünyasını kasıp kavurdu,” dedi Yi. “Bu yapıyla ilgili harika olan şey, geometrinin, elektronların etrafta yakınlaşmasına izin verme biçimine ilginç kuantum kısıtlamaları dayatmasıdır; bu, trafik döner kavşaklarının trafiği nasıl etkilediğine ve bazen onu nasıl durdurduğuna benzer.”

{ 14}Ming Yi

Ming Yi, Rice Üniversitesi’nde fizik ve astronomi alanında yardımcı doçenttir. Kredi: Jeff Fitlow/Rice University

Doğası gereği elektronlar birbirlerinden kaçınırlar. Bunu yapmanın bir yolu, manyetik durumlarını (yukarı veya aşağıyı gösteren dönüşler) komşularının dönüşlerinin tersi yönde sıralamaktır.

Araştırmanın yazarlarından Dai, “Koyulduğunda kagome kafeslerinde elektronlar, kuantum girişim etkileri nedeniyle sıkışıp kaldıkları ve hiçbir yere gidemeyecekleri bir durumda da görünebilir.”

Elektronlar hareket edemediğinde, üçgen düzenleme, her birinin üç komşuya sahip olduğu bir durum üretir ve elektronların tüm komşu dönüşleri toplu olarak zıt yönlerde düzenlemesinin bir yolu yoktur. Kagome kafes malzemelerinin doğasında bulunan elektron engellenmesi uzun zamandır biliniyor.

Yi, kafesin elektronları “malzemenin gözlemlenebilir özellikleri üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olabilecek” şekillerde kısıtladığını söyledi ve ekip, demir-germanyumda “manyetizma ve yük yoğunluğu dalgasının iç içe geçmesinin kökenlerini daha derinlemesine araştırmak için” bunu kullanın.

Pengcheng Dai

Pengcheng Dai, Sam ve Helen Worden Fizik ve Astronomi Profesörüdür Rice Üniversitesi’nde. Kredi: Jeff Fitlow/Rice University

Bunu, ORNL’de gerçekleştirilen esnek olmayan nötron saçılımı deneyleri ile LBNL’nin Gelişmiş Işık Kaynağında ve SLAC’ın Stanford Sinkrotron Radyasyon Işık Kaynağı ve ayrıca Yi’nin Rice’daki laboratuvarında.

“Bu sondalar, yük yoğunluğu dalgası şekillenirken hem elektronların hem de kafesin ne yaptığına bakmamızı sağladı” dedi.

Dai, bulguların, ekibin yük sırası ile manyetik düzenin demir-germanyumda bağlantılı olduğu hipotezini doğruladığını söyledi. “Bu, manyetizmanın ilk önce yüklerin sıralanmasını hazırlayan bir kagome malzemesinin bilinen tek değilse bile çok az örneğinden biridir,” dedi.

Yi, çalışmanın gösterdiğini söyledi doğa olaylarına yönelik merak ve temel araştırmaların sonunda uygulamalı bilime nasıl yol açabileceği.

“Fizikçiler olarak, kendiliğinden bir düzen oluşturan malzemeler bulduğumuzda her zaman heyecanlanırız,” dedi. “Bu, kuantum malzemelerinin temel parçacıklarının kendi kendini organize etme yeteneklerini öğrenme şansımız olduğu anlamına geliyor. Ancak bu tür bir anlayışla bir gün, istediğimiz gibi kontrol edebileceğimiz yeni veya egzotik özelliklere sahip malzemeler tasarlamayı umabiliriz.”

Referans: “Kagome FeGe’de manyetizma ve yük yoğunluğu dalga düzeni”, Xiaokun Teng, Ji Seop Oh, Hengxin Tan, Lebing Chen, Jianwei Huang, Bin Gao, Jia-Xin Yin, Jiun-Haw Chu, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Garrett E. Granroth, Binghai Yan, Robert J. Birgeneau, Pengcheng Dai ve Ming Yi, 13 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-01985-w

Dai is the Sam and Helen Worden Fizik ve Astronomi Profesörü. Dai ve Yi, Rice Quantum Initiative ve Rice Center for Quantum Materials’ın (RCQM) üyeleridir.

Rice’daki araştırma, Gordon ve Betty Moore Vakfı’nın EPiQS Girişimi (GBMF9470), Welch Vakfı tarafından desteklenmiştir. (C-2024, C-1839), Enerji Bakanlığı (DE-SC0021421) ve Ulusal Bilim Vakfı (2100741, 1921847).