В Колумбийском университете химия и физика объединили свои усилия, и это привело к захватывающим результатам. В новой работе, опубликованной в журнале Nature Physics, описан двумерный материал, способный к сложным квантовым явлениям, которые возникают из-за его химического состава, а не атомной структуры.
«Это классическая история Колумбии: несколько групп физиков и химиков объединились для работы над новым материалом, и мы обнаружили интересные новые результаты о том, как движутся электроны», — сказал Аравинд Девараконда, физик-прикладник из Колумбийского инженерного колледжа.
Материал Pd$5$AlI$2$ демонстрирует так называемое нарушение движения электронов. Он обладает металлическими свойствами, стабилен на воздухе и может быть расщеплён на слои толщиной в один атом. Он представляет собой новую отправную точку в поиске плоских зон.
Плоские зоны и квантовые технологии
Многие квантовые явления, такие как сверхпроводимость и уникальные формы магнетизма, возникают, когда электроны ведут себя вопреки законам классической физики, которая утверждает, что эти элементарные частицы отталкивают друг друга. Однако существуют обстоятельства, при которых электроны можно заставить объединяться в пары. Одним из способов является введение фрустрации.
Фрустрация возникает, когда электроны в материале не могут найти стабильное место для размещения относительно энергий друг друга. До сих пор это было связано с геометрией: кристаллы, состоящие из треугольников или квадратов, создают физический конфликт между электронами и удерживают их вместе.
Материал Pd$5$AlI$2$ вносит фрустрацию в игру через свой химический состав, а не только через кристаллическую структуру. «Мы нашли совершенно новый способ думать о фрустрации, который объединяет то, как химики думают о химических связях, с тем, как физики думают о кристаллических решётках», — сказал химик из Колумбии Ксавье Рой, чья лаборатория создала новый металл.
Открытие нового материала
С первого взгляда решётка Pd$5$AlI$2$ выглядела довольно просто, сказал Девараконда, который руководил работой в качестве научного сотрудника Саймонса, сотрудничая с Роем и физиком из Колумбии Кори Дином. Два члена группы Роя, аспирантка Кристи Коай (ныне докторант химического факультета Принстонского университета) и докторант Даниэль Чика, создали его для Дина, который искал металл, стабильный на воздухе, который можно было бы расщепить на слои толщиной в один атом.
Во время предварительных измерений Девараконда обнаружил любопытную электронную особенность, характерную для геометрически фрустрированной структуры, называемой решёткой Либа. Решётки Либа состоят из квадратов, и их необычное поведение ещё не было изучено вне теоретических моделей.
Девараконда показал данные теоретическому физику Ракель Кейроз, которая установила связь между его наблюдением и химией Pd$5$AlI$2$: его орбитали, фундаментальное понятие в химии, которое определяет, где электрон может перемещаться вокруг своего исходного атома, объединяются в шахматном порядке, который имитирует геометрию решётки Либа, но теперь в реальном материале.
«Это был наш момент озарения», — сказал Девараконда. «Решётка может быть простой, но именно из-за орбиталей она становится такой интересной».
Сигнал, который наблюдал Девараконда, представлял собой желанную электронную плоскую зону. Плоские зоны — это электронные структуры, которые заставляют электроны иметь одинаковую энергию, что является нестабильным положением, которое может привести к необычным квантовым явлениям, таким как сверхпроводимость.
Команда продолжает исследовать Pd$5$AlI$2$ и аналогичные фрустрированные материалы — Девараконда, например, буквально растягивает образцы, чтобы ввести деформацию, — в попытках выявить и в конечном итоге контролировать эти явления. Их воодушевляют перспективы этого нового источника фрустрации.
Потенциальные применения
Девараконда также указывает на потенциальные применения, такие как создание новых квантовых датчиков и высокотемпературных магнитов. Поскольку электроны удерживаются на месте, можно записывать их свойства, например, направление их вращения, чтобы фиксировать изменения в окружающей среде.
В более широком масштабе большинство магнитов, используемых, например, в электродвигателях или ветряных турбинах, требуют редкоземельных элементов; идеи, полученные из Pd$5$AlI$2$, могут помочь снизить зависимость от всё более сложных и дорогих материалов.
Однако Pd$5$AlI$2$ недёшев. Поэтому команда планирует использовать методы искусственного интеллекта для более быстрого выявления кристаллов, в которых может скрываться фрустрация орбиталей.
«Возможность фрустрированного перескока из орбиталей была сформулирована теоретически, но теперь у нас есть конкретный пример. Мы пытаемся выяснить, какие ещё комбинации элементов могут объединиться, чтобы фрустрировать электроны», — сказал Девараконда.
«Существует так много моделей, которые люди создавали на протяжении десятилетий, но теперь мы можем использовать наши новые знания о решётках и орбиталях, чтобы исследовать их под другим углом».
Предоставлено: [Columbia University](https://phys.org/partners/columbia-university/)