in 2016, natuurkundige J.C. Séamus Davis ontdekte een ongrijpbare toestand van kwantummaterie in de cuprates, dat zijn koperoxidematerialen die zijn verweven met andere atomen. Dat lanceerde een nieuw subveld in de studie van kwantummaterialen.

Maar of dit een uniek fenomeen in de cuprates was of een universele en belangrijke eigenschap van de natuur bleef tot nu toe onbekend.

Met behulp van een verbeterde versie van de radicaal nieuwe kwantummicroscooptechnologie die hij hiervoor ontwikkelde, Davis en zijn team hebben nu dezelfde exotische toestand van kwantummaterie gevonden in een veelgebruikt en conventioneel type materiaal, de overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD).

hun papier, "Ontdekking van een Cooper-paar Density Wave State in een overgangsmetaal dichalcogenide, " gepubliceerd op 25 juni in Wetenschap . Co-auteurs zijn onder meer Cornell postdoctorale fellows Xiaolong Liu en Yi Xue Chong, en Rahul Sharma, doctoraat '20, een postdoc aan de Universiteit van Maryland.

Cooper-paar dichtheidsgolven zijn een vorm van exotische kwantummaterie waarin elektronenparen - in plaats van een conventionele "supergeleider, " waar ze allemaal in dezelfde vrij bewegende staat zijn - bevriezen in een elektronenpaarkristal, ook bekend als een paardichtheidsgolf (PDW) toestand.

De ontdekking dat PDW's bestaan ​​in standaardmaterialen zoals TMD's is opwindend, Davis zei, omdat ze een rijk platform bieden voor het ontdekken van nieuwe toestanden van kwantummaterie en voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën.

"De studie van TMD-materialen is onlangs een van de populairste onderwerpen in de fysica van de gecondenseerde materie geworden, " zei Davy, de James Gilbert White Distinguished Professor Emeritus van de natuurkunde in het College of Arts and Sciences (A&S), die ook professoraten bekleedt aan de Universiteit van Oxford, in Engeland, en University College Cork, in Ierland. "Er zijn honderden van deze materialen in de wereld en ze worden veel gebruikt in technologie of onderzoek, waaronder door verschillende groepen bij Cornell."

Davis brak zijn eigen record voor ruimtelijke resolutie met de scanning Josephson-tunnelmicroscoop die hij uitvond, het in dit onderzoek met een factor van ongeveer 100 verbeteren (van nanometer tot ongeveer 10 picometer). Hij verhoogde ook de beeldefficiëntie met een factor van ongeveer 250, het verminderen van de beeldacquisitietijden van Josephson junction arrays van een maand tot een paar uur.

Omdat de microscoop extreem gevoelig is voor trillingen en voor akoestische en mechanische ruis en dus is ontworpen om te werken zonder mensen in het laboratorium, Davis zei dat de pandemie een minimale impact had op het gebruik ervan voor het onderzoek.

"Als alle voorbereidingen goed zijn getroffen, je drukt op de knop en de microscoop doet heel stil zijn werk met niemand in het lab. De microscoop slaat het beeld op en waarschuwt u wanneer het klaar is, " zei Davis. "Elk individueel experiment duurt ongeveer 10 dagen, hoewel de hele experimentele campagne jaren duurt."

De TMD-ontdekking zal een zegen zijn voor de vele natuurkundigen van Cornell die baanbrekend onderzoek doen naar kwantummaterialen, Davis zei, "inclusief theoretici zoals Eun-Ah Kim [hoogleraar natuurkunde in A&S], wiens theorieën over deze exotische toestand van materie nu kunnen worden onderworpen aan experimentele tests."

Het werk werd gefinancierd door de Gordon en Betty Moore Foundation, die volgens Davis ook de ontwikkeling van de scanning Josephson-tunnelmicroscoop financierde, terwijl niemand anders dat zou doen.

"Men geloofde dat zo'n microscoop extreem moeilijk, zo niet onmogelijk te implementeren was, " zei Davy, "maar de Moore Foundation nam het risico. Ze verdienen een groot deel van de eer voor deze nieuwe technologie voor het visualiseren van kwantummaterie."