_ Fizicienii descoperă o nouă modalitate de a crea metal ciudat

Prin joc cu un material cuantic caracterizat prin atomi dispuși în forma unei stele șerifului, fizicienii și colegii MIT au descoperit în mod neașteptat o nouă modalitate de a face o stare a materiei cunoscută ca un metal ciudat. Metalele ciudate sunt de interes pentru fizica lor neobișnuită și pentru că au fost găsite în supraconductorii de înaltă temperatură, cheie pentru o varietate de aplicații.

Lucrarea introduce o modalitate complet nouă de a crea și de a studia metale ciudate, ale căror electronii se comportă diferit față de cei dintr-un metal convențional precum cuprul. „Este o nouă abordare potențială pentru proiectarea acestor materiale neobișnuite”, spune Joseph G. Checkelsky, cercetător principal principal al cercetării și profesor asociat de fizică.

Linda Ye, Ph.D. MIT. '21, este primul autor al unei lucrări despre lucrarea publicată la începutul acestui an în Nature Physics. „Un nou mod de a face metale ciudate ne va ajuta să dezvoltăm o teorie unificatoare în spatele comportamentului lor. Acest lucru a fost destul de dificil până în prezent și ar putea duce la o mai bună înțelegere a altor materiale, inclusiv a supraconductorilor de temperatură înaltă”, spune Ye, acum un profesor asistent la Institutul de Tehnologie din California.

Lucrul Nature Physics este însoțit de un articol News & Views intitulat „Un mod ciudat de a obține un metal ciudat.”

În 2018 Checkelsky și mulți dintre aceiași colegi au raportat despre o clasă de materiale cuantice cunoscute sub numele de metale kagome. Membrii familiei de metal kagome sunt alcătuiți din straturi de atomi aranjați într-o rețea de unități repetate similare cu o steluță a lui David sau cu insigna șerifului. Modelul este, de asemenea, obișnuit în cultura japoneză, în special ca motiv de țesut de coșuri.

„Ne-a interesat rețeaua Kagome, deoarece teoria a arătat că ar trebui să găzduiască o varietate de caracteristici interesante pentru electronii care stau pe ea, ", spune Linda Ye. Într-adevăr, în lucrarea lor din 2018 Ye, Checkelsky și colegii lor, inclusiv Riccardo Comin și Liang Fu (de asemenea, de la fizica MIT) au raportat că noul lor metal Kagome a produs fermioni Dirac, particule aproape fără masă similare fotonilor care transportă lumină.

„În acest caz, fermionii Dirac erau mai mult sau mai puțin așteptați din calcule”, spune Ye. Dar metalele ciudate descoperite în lucrarea curentă au fost complet neașteptate și „aceasta ne aduce cu adevărat la un nou regim”, spune ea.

După descoperirea fermionilor Dirac, cercetătorii au vrut să vadă dacă aceștia ar putea găsi „o caracteristică și mai interesantă în rețeaua Kagome numită bandă plată”, spune Ye. Acesta este un fenomen în care electronii stau, în esență, nemișcați, deși fiecare se învârte în continuare în jurul propriei axe.

Facerea ca electronii să stea nemișcați le permite să vorbească cu adevărat între ei. Și atunci se întâmplă toate lucrurile cu adevărat interesante din fizica materiei condensate.

Mai precis, echipa căuta o bandă plată la nivelul Fermi, care poate fi considerată ca suprafața oceanului. Au găsit-o și au început să exploreze proprietățile electrice ale sistemului în timp ce erau supuși la presiune ridicată și un câmp magnetic.

Au descoperit că electronii din banda plată interacționează puternic cu alți electroni din sistem. Rezultatul, spune Ye, poate fi din nou comparat cu oceanul. Electronii neperturbați din banda plată pot fi considerați ca o mare calmă. Odată ce încep să interacționeze cu ceilalți din jurul lor, marea calmă devine o furtună agitată, electronii acționând în două moduri diferite. Rezultatul: un metal ciudat.

„Știam că trupa plată va avea ca rezultat ceva interesant, dar nu știam exact ce ne va oferi. Și ceea ce am găsit este un metal ciudat”, Ye. spune.

Ea notează că lucrarea arată că rețeaua kagome este un „principiu de proiectare foarte important pentru noile stări electronice”. Drept urmare, acum își propune să extindă munca la alte grilaje.

Descoperirea este rezultatul unor ani de cercetare. Ye însăși a început să exploreze sistemele kagome în jurul anului 2015. „A fost un proiect lung”, spune ea. „A fost destul de satisfăcător să construiești acest pas cu pas și să găsești o mulțime de lucruri interesante pe parcurs.”

Dvs și Co-autorii MIT ai lui Checkelsky sunteți Shiang Fang, un asociat postdoc în fizică MIT; Mingu Kang, MIT Ph.D. '23, acum la Universitatea Cornell; Yonghun Lee, un student de licență în vizită; Caolan John și Paul M. Neves, studenți absolvenți ai MIT în fizică; S.Y. Frank Zhao, un asociat postdoctoral în fizică MIT; și Riccardo Comin, profesor asociat de fizică din clasa 1947 pentru dezvoltarea carierei.

Alți autori sunt Josef Kaufmann de la Universitatea de Tehnologie din Viena și Institutul Leibniz pentru Cercetarea Materialelor și Statelor Solide; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick și Eli Rotenberg, toți de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley; Efthimios Kaxiras și David C. Bell de la Universitatea Harvard; și Oleg Janson de la Institutul Leibniz pentru Cercetarea în stare solidă și a materialelor.

(Fluierul)