科学家发现一种电子静止不动的奇怪物质

新研究验证了一种平面 3D 材料引导检测方法。

莱斯大学的科学家发现了一种史无前例的材料：一种 3D 晶体金属，其中量子相关性和晶体结构的几何形状相结合，阻止电子的运动并将其固定在适当的位置。

发表在《 自然物理学。 本文还描述了指导研究团队研究该材料的理论设计原理和实验方法。 一份铜，两份钒，四份硫 合金 它具有由共享角的四面体组成的 3D 烧绿石晶格。

量子纠缠和电子局域化

“我们正在寻找可能具有尚未发现的新物质状态或新奇特特征的材料，”该研究的合著者、莱斯大学的实验物理学家明毅说。

量子材料有潜力成为研究领域，特别是如果它们包含导致量子纠缠的强电子相互作用。 纠缠会导致奇怪的电子行为，包括抑制电子的运动使其固定在适当的位置。

“这种量子干涉效应就像波浪在池塘表面荡漾并迎面相遇，”易说。 “碰撞产生了一种不会移动的驻波。在几何受挫晶格材料的情况下，电子波函数会产生破坏性干扰。

莱斯大学博士后研究员黄建伟分享了他用来对铜钒合金进行特定角度光电子能谱实验的实验室设备。 实验表明，该合金是第一种已知的材料，其中三维晶体结构和强量子相互作用会阻碍电子的运动并将其固定在适当的位置，从而形成扁平的电子棒。 图片来源：Jeff Vitello/莱斯大学

金属和半金属中的电子局域化产生平坦的电子域或平带。 近年来，物理学家发现一些二维晶体中原子的几何排列，例如戈薇晶格，也可以产生扁平带状。 这项新研究提供了 3D 物质效应的实验证据。

先进的技术和惊人的结果

使用角分辨光电子能谱 (ARPES) 的实验技术，叶和该研究的主要作者、她实验室的博士后研究员黄建伟详细介绍了铜-钒-硫带结构，发现它具有独特的扁平带。在几个方面。

“事实证明，两种物理类型对于这种材料都很重要，”Yee 说。 “正如理论预测的那样，几何挫败方面是存在的。令人惊喜的是，也存在相关效应，在费米能级产生平带，它可以积极参与确定物理性质。”

黄建伟. 图片来源：Jeff Vitello/莱斯大学

在固体中，电子占据分成能带的量子态。 这些电子带可以被认为是梯子上的横档，静电排斥限制了可以占据每个横档的电子数量。 费米能级是材料的固有属性，是决定其能带结构的关键属性，是指阶梯上最高占据位置的能级。

理论见解和未来方向

赖斯是理论物理学家和研究合著者 Kimiao Si，他的研究小组确定了铜钒合金及其烧氯晶体结构是几何和强电子相互作用共同挫败效应的潜在宿主，他将这一发现比作寻找新的大陆。 。

“这是第一项工作，不仅展示了工程挫折与相互作用之间的协作，而且展示了下一阶段，即让电子处于（能量）阶梯顶部的同一空间中，在那里有最大的机会Si 说：“将它们重新组织到新的阶段。这很有趣，而且可能有效。”

他说，他的研究小组在研究中使用的预测方法或设计原理也可能对研究具有其他晶格结构的量子材料的理论家有用。

“烧绿石并不是城里唯一的游戏，”See 说。 “这是一种新的设计原理，使理论学家能够预测性地识别由于强电子相关性而出现平带的材料。”

易说，烧绿石晶体的进一步实验探索还有很大的空间。

“这只是冰山一角，”她补充道。 “这是三维的，这是新的，考虑到 Kagome 网络中取得的惊人结果的数量，我想在烧绿石材料中可能会有同样甚至更令人兴奋的发现。”

参考文献：“平面烧绿石晶格中的非费米流体行为”，作者：Jianwei Huang、Li Chen、Yufei Huang、Chandan Seti、Bin Gau、Yue Shi、Xiaoyu Liu、Yichen Zhang、Turgut Yilmaz、Elio Vescovo、Makoto Hashimoto，楼东辉，鲍里斯一世。 Jacobson、Ping Cheng Dai、Jun-Hao Zhou、Kimiao Si 和 Ming Yi，2024 年 1 月 26 日， 自然物理学。
DOI：10.1038/s41567-023-02362-3

研究小组包括来自四个实验室的 10 名水稻研究人员。 物理学家戴平清的研究小组制作了实验验证所需的几个样本，材料科学与纳米工程系的鲍里斯·雅各布森的研究小组进行了初步计算，量化了几何挫败产生的平带效应。 ARPES 实验在莱斯大学、加利福尼亚州 SLAC 国家实验室的同步加速器光源 II 和纽约布鲁克海文国家实验室的第二国家同步加速器光源进行，该团队包括来自 SLAC、布鲁克海文和布鲁克海文国家研究所的合作者。 华盛顿大学。

该研究使用了能源部 (DOE) 与 SLAC (DE-AC02-76SF00515) 合同支持的资源，并得到了戈登和贝蒂摩尔基金会量子系统新兴现象计划 (GBMF9470) 和 Robert A . 韦尔奇基金会。 企业（C-2175、C-1411、C-1839）、能源部基础能源科学办公室（DE-SC0018197）、空军科学研究办公室（FA9550-21-1-0343、FA9550-21-1-）0356 ）、国家科学基金会 (2100741)、海军研究办公室 (ONR) (N00014-22-1-2753) 以及国防部基础研究办公室 (ONR-VB) 管理的范尼瓦尔·布什教员研究员计划) 编号 00014-23-1-2870)。