Kwantummaterialen vertonen exotisch gedrag door de effecten van de kwantummechanica, of hoe materie inwerkt op de zeer kleine schaal van atomen en subatomaire deeltjes. De technologisch relevante eigenschappen van kwantummaterialen zijn het resultaat van complexe interacties van elektronenlading, orbitaal, en spin en hun koppeling aan de kristalstructuur van het materiaal. Bijvoorbeeld, in sommige materialen, elektronen kunnen vrij stromen zonder enige weerstand; dit fenomeen, supergeleiding genoemd, gebruikt kunnen worden om het vermogen efficiënter over te brengen. Typisch, deze eigenschappen ontstaan ​​bij lage temperatuur, waar kristallen een lage (gebroken) structurele symmetrie vertonen.

"Niet verrassend, dit lage-temperatuurregime is goed bestudeerd, " zei Emil Bozin, een fysicus in de X-ray Scattering Group van de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "In de tussentijd, het regime van hoge temperaturen blijft grotendeels onontgonnen omdat het wordt geassocieerd met een relatief hoge symmetrie, wat als oninteressant wordt beschouwd."

Maar Bozin en collega's hebben onlangs ontdekt dat lokale symmetrie bij hoge temperatuur breekt. Deze lokale toestanden worden geassocieerd met elektronische orbitalen (gebieden binnen een atoom waar elektronen het meest waarschijnlijk worden gevonden) die dienen als orbitale degeneratie-opheffing (ODL) "voorlopers" van wat er gebeurt bij lage temperatuur. Orbitale degeneratie verwijst naar wanneer orbitalen dezelfde energie hebben. Het opheffen van deze degeneratie betekent dat sommige orbitalen een relatief hogere energie zullen hebben en andere een lagere energie.

"We denken dat dergelijke lokale staten op de een of andere manier de materiële eigenschappen van belang mogelijk maken die zich voordoen bij veel lagere temperaturen, ’ legde Bozin uit.

De wetenschappers observeerden deze lokale toestanden voor het eerst in 2019 in een materiaal (koper-iridiumsulfide) met een metaal-isolatorovergang en in een op ijzer gebaseerde supergeleider. Nutsvoorzieningen, het team dat Brookhaven Lab vertegenwoordigt; DOE's Oak Ridge National Laboratory; Universiteit van Tennessee, Knoxville; en Columbia University - heeft ze gevonden in een isolator die natrium bevat, titanium, silicium, en zuurstof. Dit isolatiemateriaal is een van de mineralen die de bovenmantel van de aarde vormen. Buiten het geologische belang, het is een kandidaat voor kwantumspinvloeistoffen (QSL's), een exotische toestand van materie waarin elektronenspins vloeibaar blijven tot de laagste temperaturen, voortdurend fluctueert. QSL's kunnen een materieel platform bieden voor kwantumcomputers, spintronica (elektronica gebaseerd op elektronenspin in plaats van lading), supergeleiding, en andere technologieën.

"Onze bevindingen suggereren dat dit OAO-precursorgedrag bij hoge temperatuur vrij algemeen kan zijn en in theoretische studies moet worden overwogen om de functionele eigenschappen van kwantummaterialen te begrijpen, " zei natuurkundige Weiguo Yin van de CMPMS Division Condensed Matter Theory Group.

Om de atomaire structuur van het materiaal te onderzoeken, het team analyseerde hoe het materiaal neutronen en röntgenstralen verspreidde. Beide sondes zijn nodig vanwege hun verschillende gevoeligheid voor bepaalde elementen op basis van atoomgewicht. In tegenstelling tot röntgenstralen, neutronen kunnen lichte elementen onderscheiden, zoals zuurstof. Met de neutronen- en röntgenverstrooiingspatronen, de lokale rangschikking van atomen kan worden afgeleid door de atoompaarverdelingsfunctie (PDF), die de afstanden tussen verschillende atomen in een monster beschrijft. Met behulp van software, wetenschappers kunnen dan het structurele model vinden dat het beste past bij de experimentele atomaire PDF-functie.

Hun analyse onthulde kenmerken van lokale symmetrie die ver boven de temperatuur breekt waarbij het materiaal een structurele overgang ondergaat om titaniumdimeren te vormen (twee moleculen die aan elkaar zijn gekoppeld). Wanneer het materiaal wordt verwarmd, deze dimeren lijken te verdwijnen, maar echt, ze blijven hangen, evolueren naar een dubbele OAO-staat.

"De hoge temperatuur, hoogkristallografische symmetrie toestand veronderstelt de aanwezigheid van orbitale degeneratie, maar orbitale degeneratie is misschien niet energetisch gunstig, "zei Bozin. "Zoals we hier zien, de dimeren worden vervangen, en wat overblijft is een lokaal vervormde kristalstructuur. Deze vervorming heft de degeneratie van twee orbitalen op en stelt het systeem in staat om een ​​lagere energietoestand in te gaan."

Volgende, het team is van plan om orbitale eigenschappen in dit materiaal aan te passen, bijvoorbeeld door titanium te vervangen door ruthenium, wat het aantal elektronen zal veranderen en naar verwachting een betere QSL zal opleveren. Ze zullen ook zien of de OAO-precursoren in andere materialen voorkomen en hoe ze verband houden met interessante fenomenen, zoals supergeleiding. Vooral, ze willen systemen verkennen met verschillende graden van spin-baankoppeling, wat een alternatief mechanisme is voor OAO.

"De ontdekking van deze orbitale voorlopers helpt ons de concurrentie tussen verschillende kwantumtoestanden bij lage temperatuur beter te begrijpen - een begrip dat ons in staat zal stellen het speelveld te kantelen om materialen met gewenste eigenschappen bij lage temperatuur te krijgen, " zei Simon Billinge, een fysicus in de CMPMS Division X-ray Scattering Group en hoogleraar materiaalwetenschappen en techniek en toegepaste natuurkunde en wiskunde aan de Columbia University.