Исследователи из Корнелла с помощью нового вычислительного метода выяснили, где находятся электроны в некоторых слоистых материалах. Они доказали, что электроны преимущественно остаются в своих слоях.
Слоёные материалы и квантовые свойства
Физики и инженеры подтвердили, что в некоторых квантовых материалах, известных как «несовместимые» из-за того, что их кристаллические структуры не совпадают идеально (как если бы один слой имел квадратную решётку, а другой — шестиугольную), электроны в основном остаются в своих слоях.
Это открытие, важное для разработки материалов с квантовыми свойствами, включая сверхпроводимость, опровергает давнее предположение. Долгое время учёные считали, что большие сдвиги в энергетических зонах в некоторых несовместимых материалах означают, что электроны физически перемещаются из одного слоя в другой. Однако исследователи из Корнелла обнаружили, что химическое связывание между несочетаемыми слоями заставляет электроны перераспределяться таким образом, что увеличивается количество высокоэнергетических электронов, в то время как мало электронов перемещается из одного слоя в другой.
Новый вычислительный метод
Профессор Томас Ариас, главный исследователь проекта, сказал: «Это важный класс материалов, который люди пытаются понять. Для нас это была идеальная площадка для демонстрации наших новых идей о том, как развивать это понимание».
Их новый вычислительный метод основан на идее, что электроны в основном реагируют только на своё непосредственное окружение. Это фундаментальное исследование может ускорить разработку материалов с желаемыми свойствами, включая устройства с мощными возможностями электрического охлаждения.
Статья под названием «Раскрытие переноса заряда в несочетаемых материалах: ARPES и Ab Initio предсказание электронной структуры в слоистых несоразмерных системах без искусственной деформации» была опубликована 14 ноября в журнале Physical Review Letters.
Поведение электронов в слоёных материалах
Массивные несоразмерные материалы, такие как несовместимые, представляют собой мощную платформу для вызова и изучения экзотического поведения электронов, — написали исследователи. Их открытие основано на исследованиях последних десятилетий, когда учёные-материаловеды начали экспериментировать со слоистыми двумерными материалами, чтобы заставить электроны в них делать интересные вещи.
Среди несоразмерных материалов наиболее известен магический скрученный бислой графена, где два слоя графена смещены относительно друг друга, и внезапно он становится сверхпроводником.
В этом исследовании экспериментаторы из PARADIM проанализировали слоисто-несоразмерные гетероструктуры — соединения, в которых чередуются слой с квадратной симметрией и слой с шестиугольной симметрией.
Наблюдения за материалом показали увеличение количества высокоэнергетических электронов в шестиугольном материале. Однако, когда Нидзельски рассчитал все электроны в одном стеке несоразмерных материалов — один шестиугольный против одного квадратного, — он столкнулся с загадкой.
«Похоже, что много электронов переходит в шестиугольный слой, что наблюдалось в экспериментах наших коллег и других исследователей на подобных материалах из того же семейства», — сказал он. «В литературе это широко интерпретируется как физическое перемещение электронов из одного слоя в другой. Похоже, что большое количество электронов действительно это делает».
Но, согласно его новому методу, который позволяет ему точно рассчитывать местоположение и энергию электронов, он обнаружил, что перенос электронов был «примерно в шесть раз меньше, чем то, что они видели в экспериментах», — сказал он. «Электроны в каждом слое перестраивались, и очень немногие на самом деле перемещались между слоями».
ARPES and Ab Initio Prediction of Electronic Structure in Layered Incommensurate Systems without Artificial Strain\» was published on Nov. 14 in Physical Review Letters.»,»Bulk incommensurate materials such as the misfits are a powerful platform for causing and studying exotic electron behavior, the researchers wrote. Their discovery builds on research from the past few decades, when material scientists started experimenting with stacked 2D materials to make electrons in them do interesting things, said Niedzielski.»,»Among incommensurate materials, \»the most famous is magic twisted bilayer graphene, where you mismatch two layers of graphene with a twist and all of a sudden it becomes a superconductor,\» Niedzielski said.»,»In this study, the experimentalists at PARADIM analyzed misfit layered heterostructures—compounds that alternate a rare-earth metal rock salt layer, which has square symmetry, with another material with hexagonal symmetry, Niedzielski said.»,»Observations of the material showed an increase in the number of high-energy electrons in the hexagonal material. But when Niedzielski calculated all the electrons in one stack of incommensurate materials—one hexagonal against one that’s square—he encountered a mystery.»,»\»It looks like a lot of electrons move to the hexagonal layer, which has been seen in our collaborator’s experiments and others on similar materials in the same family,\» he said. \»It’s widely interpreted in the literature that this is due to the electrons physically moving from one layer to another. It appears that a large number of electrons do that.\»»,»But according to his new method, which allows him to calculate the location and energy of the electrons precisely, he found the electron transfer was \»about six times less than what they were seeing in experiments,\» he said. \»The electrons in each layer were rearranging themselves and very few had actually moved between the layers.\»»,»Kourkoutis led the microscopy efforts to image the misfit materials, Niedzielski said. These images were important for him to locate the atoms so he could do the calculations faster.»,»Rather than jumping from one layer to the other, the system’s electrons were staying where they were, the study found. The researchers were able to understand this because electrons mostly \»care\» about their local environment. At this microscopic level, electrons act like waves that spread through the material, Arias said. But in a system crowded with many electrons, such as in a misfit compound, so many of the waves cancel each other out—like waves on the surface of a pool crowded with swimmers—that only the area immediately around each electron matters.»,»The computational method Niedzielski developed, MINT-Sandwich, uses a new theoretical approach, enabling calculations on new materials previously thought impossible, Arias said.»,»\»What we do is an experiment in the computer. It’s not just a simulation; we’re really calculating out the laws of physics. It’s a third source of information about material systems\» in addition to experiment and theory, he said. \»These calculations give you exactly what you would get from a highly controlled experiment. That’s why Drake can go in there and see where did everyone go? What actually happened to everyone? And untangle these types of mysteries.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCornell University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник