莱斯大学的研究人员发现了一种新型的3D晶体金属，由于量子相关性和材料几何结构的独特相互作用，它可以将电子锁定在适当的位置。这一发现突出了平面电子带在确定材料性质方面的作用，并为进一步探索具有焦绿石晶格结构的量子材料奠定了基础。来源:SciTechDaily.com
莱斯大学的科学家们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，可以阻止电子的运动，并将它们锁定在适当的位置。
发表在《自然物理学》杂志上的一项研究详细介绍了这一发现。论文还描述了指导研究团队制作材料的理论设计原理和实验方法。一份铜，两份钒，四份硫，该合金具有由共享角四面体组成的三维焦绿石晶格。
量子纠缠和电子局域化
“我们寻找可能存在新物质状态或尚未发现的新奇异特征的材料，”该研究的共同通讯作者、莱斯大学实验物理学家Ming Yi说。
量子材料可能是一个值得研究的地方，特别是如果它们拥有强大的电子相互作用，从而产生量子纠缠。纠缠会导致奇怪的电子行为，包括阻碍电子的运动，使它们被锁定在一个地方。
“这种量子干涉效应类似于波浪在池塘表面涟漪并正面相遇，”易说。“碰撞产生了一个不移动的驻波。在几何上受挫的晶格材料的情况下，是电子波函数破坏性地干扰。”
莱斯大学博士后研究员黄建伟和他用来对铜钒合金进行角分辨光发射光谱实验的实验室仪器。实验表明，这种合金是已知的第一种材料，在这种材料中，3D晶体结构和强量子相互作用会阻碍电子的运动，并将它们锁定在适当的位置，从而形成平坦的电子带。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
电子在金属和半金属中的定位产生平面电子带或平面带。近年来，物理学家发现，在一些二维晶体中，原子的几何排列，如Kagome晶格，也可以产生平带。这项新研究提供了3D材料中这种效应的经验证据。
先进的技术和惊人的发现
利用一种被称为角度分辨光发射光谱(ARPES)的实验技术，Yi和该研究的主要作者、她实验室的博士后研究员黄建伟(Jianwei Huang)详细描述了铜钒硫材料的能带结构，并发现它拥有一个在几个方面都很独特的平坦能带。
“事实证明，这两种类型的物理在这种材料中都很重要，”易说。正如理论所预测的那样，几何挫折感在那里。令人惊喜的是，在费米能级上也有产生平带的相关效应，在那里它可以积极地参与确定物理性质。”
健胃黄。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
在固态物质中，电子占据被分成带的量子态。这些电子带可以想象成梯子上的梯级，静电斥力限制了可以占据每个梯级的电子数量。费米能级是指阶梯上最高占据位置的能级，是材料的固有属性，也是决定其能带结构的关键。
理论见解和未来方向
莱斯大学理论物理学家、该研究的共同通讯作者祁淼·斯(Qimiao Si)的研究小组发现，铜钒合金及其焦绿石晶体结构可能是几何形状和强电子相互作用共同产生挫败效应的宿主，他将这一发现比作发现了新大陆。
“这是第一个真正展示几何和相互作用驱动的挫折之间的合作的工作，而且是下一个阶段，这是让电子在(能量)阶梯的顶部处于相同的空间，在那里它们有最大的机会重组成有趣的和潜在的功能新阶段，”Si说。
他说，他的研究小组在研究中使用的预测方法或设计原则可能对研究具有其他晶格结构的量子材料的理论家也很有用。
“火绿石不是镇上唯一的游戏，”斯说。“这是一个新的设计原则，允许理论家预测识别由于强电子相关性而产生平带的材料。”
易说，对焦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，”她说。“这是3D，这是新的，只是考虑到在Kagome晶格上有多少令人惊讶的发现，我设想在焦绿石材料上可能会有同样甚至更令人兴奋的发现。”
参考文献:黄建伟，陈磊，黄跃飞，Chandan Setty，高斌，石玥，刘兆宇，张一辰，Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Makoto Hashimoto，陆东辉，Boris I. Yakobson，戴鹏程，朱俊浩，司奇淼，易明，2024年1月26日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02362 - 3
研究小组包括来自四个实验室的10名莱斯大学研究人员。物理学家戴鹏程的研究小组制作了实验验证所需的许多样品，材料科学和纳米工程系Boris Yakobson的研究小组进行了第一性原理计算，量化了几何挫折产生的平带效应。ARPES实验是在莱斯大学和加州SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源和纽约布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II进行的，该团队包括来自SLAC、布鲁克海文和华盛顿大学的合作者。
该研究使用了美国能源部(DOE)与SLAC签订的合同(DE-AC02-76SF00515)支持的资源，并得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会量子系统紧急现象计划(GBMF9470)、罗伯特·韦尔奇基金会(C-2175、C-1411、C-1839)、美国能源部基础能源科学办公室(DE-SC0018197)、美国空军科学研究办公室(FA9550-21-1-0343、FA9550-21-1-0356)、美国国家科学基金会(2100741)和美国国家科学基金会(2100741)的资助。美国海军研究办公室(ONR) (N00014-22-1-2753)和国防部基础研究办公室(ONR- vb N00014-23-1-2870)管理的Vannevar Bush教员研究员项目。
