Chemie, niet alleen geometrie, activeert ongewoon elektronengedrag in nieuw kwantummateriaal

Chemie en fysica combineren krachten in Columbia, en het laat iedereen gefrustreerd – op een goede manier. Nieuw werk, gepubliceerd in Natuurfysicabeschrijft een nieuw tweedimensionaal materiaal dat in staat is tot complex kwantumgedrag dat voortkomt uit zijn onderliggende chemie, in plaats van de atoomstructuur.

“Het is een klassiek Columbia -verhaal – groepen in de natuurkunde en chemie kwamen samen om aan dit nieuwe materiaal te werken, en we vonden opwindende nieuwe resultaten over hoe elektronen bewegen,” zei Aravind Devarakonda, een toegepaste fysicus bij Columbia Engineering.

Het materiaal, PD₅Ali₂vertoont wat bekend staat als frustratie van elektronenbeweging. Het is metaalachtig, luchtstabiel en kan worden gepeld in atoomdunne lagen, en het vertegenwoordigt een eenvoudig nieuw startpunt in de zoektocht naar platte banden. Dit zijn unieke elektronische structuren die ooit zouden kunnen leiden tot nieuwe kwantumtechnologieën zoals betere supergeleiders, zeldzame aarde-vrije kamer-temperatuurmagneten en meer.

Een nieuwe manier van denken over frustratie

Veel kwantumfenomenen, zoals supergeleiding en unieke vormen van magnetisme, ontstaan wanneer elektronen zich gedragen op manieren die de wetten van de klassieke fysica tegenspreken, die verklaren dat deze elementaire deeltjes elkaar afstoten. Maar er zijn omstandigheden waarin elektronen kunnen worden gedwongen om te koppelen. Een middel is door frustratie te introduceren.

Frustratie treedt op wanneer de elektronen in een materiaal geen stabiele plek kunnen vinden om zich te vestigen met betrekking tot elkaars energieën. Tot op heden is dit te wijten aan geometrie: kristallen bestaande uit driehoeken of vierkanten creëren een fysiek conflict tussen elektronen en vallen ze samen. ET voila, collectief kwantumgedrag kan zich manifesteren – althans in theorie; Materialen met gefrustreerde geometrieën zijn zeldzaam.

PD₅Ali₂ Brengt frustratie in de mix via zijn chemie, in plaats van alleen de kristalstructuur. “We hebben een geheel nieuwe manier gevonden om na te denken over frustratie, een die combineert hoe chemici denken over chemische bindingen met hoe fysici denken over kristalroosters,” zei Columbia chemicus Xavier Roy, wiens lab het nieuwe metaal maakte.

In één oogopslag, PD₅Ali₂Het rooster zag er vrij eenvoudig uit, zei Devarakonda, die het werk leidde als een Simons Fellow die samenwerkte met Roy en Columbia -fysicus Cory Dean. Twee leden van Roy’s groep, afgestudeerde student Christie Koay (nu postdoctoraal onderzoeker bij Princeton Chemistry) en postdoctoraal onderzoeker Daniel Chica, creëerden het voor Dean, die op zoek was naar een luchtstabiel metaal dat in atom-dunne lagen kon worden gepeld.

Tijdens voorlopige metingen herkende Devarakonda een merkwaardig elektronisch kenmerk dat kenmerkend is voor een geometrisch gefrustreerde structuur die een lieb -rooster wordt genoemd. Lieb -roosters bestaan uit vierkanten – en hun ongebruikelijke gedrag moest nog worden bestudeerd buiten theoretische modellen.

Devarakonda toonde de gegevens aan theoretische fysicus Raquel Queiroz, die het verband legde tussen zijn observatie en PD₅Ali₂‘S Chemistry: zijn orbitalen, een fundamenteel concept in de chemie dat bepaalt waar een elektron rond zijn oorspronkelijke atoom kan ronddwalen, combineren in een dambordpatroon dat de geometrie van het Lieb -rooster nabootst, maar nu in een echt materiaal.

“Dat was ons Eureka -moment,” zei Devarakonda. “Het rooster kan eenvoudig zijn, maar het is vanwege de orbitalen dat het zo interessant wordt.”

Het signaal dat Devarakonda heeft waargenomen, was een felbegeerde elektronische platte band. Platte banden zijn elektronische structuren die elektronen dwingen om allemaal dezelfde energie te delen, een inherent onstabiele positie die aanleiding kan geven tot ongebruikelijk kwantumgedrag, zoals supergeleiding.

Naar een gefrustreerde toekomst

Het team blijft PD onderzoeken en prikken₅Ali₂ En soortgelijke gefrustreerde materialen – bijvoorbeeld Devarakonda trekt letterlijk monsters aan om spanning te introduceren – in poging om dit gedrag over te halen en uiteindelijk te beheersen. Ze zijn enthousiast over de vooruitzichten van deze nieuwe bron van frustratie.

Als een gelaagd kristal hebben ze het met succes afgezet naar een enkele atoomlaag in de huidige publicatie; Dit verhoogt de mogelijkheid om het te combineren met andere 2D -materialen om geheel nieuwe soorten fysica te creëren, een focus van het laboratorium van Dean. Het feit dat PD₅Ali₂ is metaalachtig, een van de eersten die stabiel zijn, terwijl hij zo erg dun is, betekent ook dat hij in staat zal zijn om de gestapelde structuren te verkleinen die hij nog verder creëert.

Devarakonda wijst ook op potentiële toepassingen, zoals het maken van nieuwe kwantumsensoren en magneten met hoge temperatuur. Omdat de elektronen op hun plaats worden gehouden, kan het mogelijk zijn om hun eigenschappen op te nemen, zoals de richting die ze draaien, om veranderingen in hun omgeving te voelen.

Op grotere schaal vereisen de meeste magneten die worden gevonden in bijvoorbeeld elektrische motoren of windturbines, elementen met zeldzame aarde; Inzichten van PD₅Ali₂ zou kunnen helpen de afhankelijkheid van steeds moeilijker wordende en dure materialen te verminderen.

PD₅Ali₂ is niet bepaald goedkoop. Dus het team is van plan AI -technieken op te nemen om sneller kristallen te identificeren die misschien een orbitale frustratie hebben die zich verbergen binnen hun chemische bindingen.

“De mogelijkheid van gefrustreerde hopping van orbitalen was theoretisch gearticuleerd, maar nu hebben we een concreet voorbeeld. We proberen nu te zien welke andere combinaties van elementen kunnen samenkomen om elektronen te frustreren,” zei Devarakonda.

“Er zijn zoveel modellen die mensen in de loop van de decennia hebben bedacht, maar nu kunnen we onze nieuwe inzichten over roosters en orbitalen gebruiken om ze vanuit een andere hoek te achtervolgen.”