Door de eigenschappen van neutronen te benutten om elektronen in een metaal te onderzoeken, een team van onderzoekers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft nieuw inzicht gekregen in het gedrag van gecorreleerde elektronensystemen, dat zijn materialen met nuttige eigenschappen zoals magnetisme of supergeleiding.

Het onderzoek, gepubliceerd worden in Wetenschap , laat zien hoe goed wetenschappers de eigenschappen en functionaliteit van materialen kunnen voorspellen, waardoor we hun potentieel kunnen verkennen om op nieuwe manieren te worden gebruikt.

"Onze missie van het ministerie van Energie is om nieuwe materialen te ontdekken en vervolgens te begrijpen die de basis kunnen vormen voor volledig nieuwe toepassingen, " zei hoofdauteur Ray Osborn, een senior wetenschapper in Argonne's Neutron and X-ray Scattering Group.

Osborn en zijn collega's bestudeerden een sterk gecorreleerd elektronensysteem (CePd ₃ ) met behulp van neutronenverstrooiing om de beperkingen van andere technieken te overwinnen en te onthullen hoe de elektrische eigenschappen van de verbinding veranderen bij hoge en lage temperaturen. Osborn verwacht dat de resultaten vergelijkbaar onderzoek zullen inspireren.

"In staat zijn om met vertrouwen het gedrag van elektronen te voorspellen als de temperatuur verandert, zou een veel ambitieuzere koppeling van experimentele resultaten en modellen moeten stimuleren dan eerder is geprobeerd, ' zei Osborn.

"In veel metalen we beschouwen de mobiele elektronen die verantwoordelijk zijn voor elektrische geleiding als onafhankelijk van elkaar bewegend, slechts zwak beïnvloed door elektron-elektron afstoting, "zei hij. "Echter, er is een belangrijke klasse van materialen waarin elektron-elektron-interacties zo sterk zijn dat ze niet kunnen worden genegeerd."

Wetenschappers hebben deze sterk gecorreleerde elektronensystemen al meer dan vijf decennia bestudeerd, en een van de belangrijkste theoretische voorspellingen is dat bij hoge temperaturen de elektroneninteracties willekeurige fluctuaties veroorzaken die hun mobiliteit belemmeren.

"Ze worden 'slechte' metalen, " zei Osborn. Echter, bij lage temperaturen, de elektronische excitaties beginnen te lijken op die van normale metalen, maar met sterk verminderde elektronensnelheden.

Het bestaan ​​van deze overgang van onsamenhangende willekeurige fluctuaties bij hoge temperatuur naar coherente elektronische toestanden bij lage temperatuur was in 1985 gepostuleerd door een van de co-auteurs, Jon Laurens, een professor aan de Universiteit van Californië, Irvine. Hoewel er enig bewijs voor is in foto-emissie-experimenten, Argonne co-auteur Stephan Rosenkranz merkte op dat het erg moeilijk is om deze metingen te vergelijken met realistische theoretische berekeningen omdat er te veel onzekerheden zijn bij het modelleren van de experimentele intensiteiten.

Het team, voornamelijk gevestigd in Argonne en andere DOE-laboratoria, toonde aan dat neutronen de elektronen op een andere manier onderzoeken die de beperkingen van foto-emissiespectroscopie en andere technieken overwint.

Dit werk is mogelijk gemaakt door de vooruitgang in neutronenspectroscopie bij DOE's Spallation Neutron Source (SNS) in het Oak Ridge National Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en de ISIS Pulsed Neutron Source van het Verenigd Koninkrijk, die uitgebreide metingen mogelijk maken over een breed scala aan energieën en momentumoverdrachten. Beiden speelden een cruciale rol in dit onderzoek.

"Neutronen zijn absoluut essentieel voor dit onderzoek, Osborn zei. "Neutronenverstrooiing is de enige techniek die gevoelig is voor het hele spectrum van elektronische fluctuaties in vier dimensies van momentum en energie, en de enige techniek die betrouwbaar kan worden vergeleken met realistische theoretische berekeningen op een absolute intensiteitsschaal."

Met deze studie, deze vierdimensionale metingen zijn nu direct vergeleken met berekeningen met behulp van nieuwe rekentechnieken die speciaal zijn ontwikkeld voor sterk gecorreleerde elektronensystemen. De techniek, bekend als dynamische gemiddelde veldtheorie, definieert een manier om elektronische eigenschappen te berekenen die sterke elektron-elektron-interacties omvatten.

Osborn erkende de bijdragen van Eugene Goremychkin, een voormalige Argonne-wetenschapper die de data-analyse leidde, en Argonne-theoreticus Hyowon Park, die de berekeningen heeft uitgevoerd. De overeenkomst tussen theorie en experimenten was "werkelijk opmerkelijk, ' zei Osborn.

Vooruit kijken, onderzoekers zijn optimistisch over het dichten van de kloof tussen de resultaten van experimenten met gecondenseerde materie en theoretische modellen.

"Hoe kom je in een stadium waarin de modellen betrouwbaar zijn?" zei Osborn. "Dit artikel laat zien dat we nu zelfs extreem complexe systemen theoretisch kunnen modelleren. Deze technieken zouden onze ontdekking van nieuwe materialen kunnen versnellen."