Natuurkundigen hebben een materiaal ontdekt waarin atomen zijn gerangschikt op een manier die de beweging van elektronen zo frustreert dat ze deelnemen aan een collectieve dans waarbij hun elektronische en magnetische aard op onverwachte manieren lijkt te wedijveren en samen te werken.

Onder leiding van natuurkundigen van Rice University werd het onderzoek vandaag online gepubliceerd in Nature . In experimenten in Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), de University of Washington (UW), Princeton University en de University of California, Berkeley, bestudeerden onderzoekers puur ijzer-germanium kristallen en ontdekte staande golven van vloeibare elektronen die spontaan in de kristallen verschenen toen ze werden afgekoeld tot een kritiek lage temperatuur. Intrigerend genoeg ontstonden de golven van de ladingsdichtheid terwijl het materiaal zich in een magnetische toestand bevond, waarnaar het bij een hogere temperatuur was overgegaan.

"Een golf van ladingsdichtheid komt meestal voor in materialen die geen magnetisme hebben", zei de mede-corresponderende auteur Pengcheng Dai van Rice. "Materialen die zowel een golf van de ladingsdichtheid als magnetisme hebben, zijn eigenlijk zeldzaam. Nog zeldzamer zijn die waar de golf van de ladingsdichtheid en het magnetisme met elkaar 'praten', zoals ze in dit geval lijken te doen."

"Gewoonlijk vindt de golf van ladingsdichtheid gelijktijdig plaats met magnetisme of bij een hogere temperatuur dan de magnetische overgang," zei hij. "Dit specifieke geval lijkt speciaal te zijn, omdat de golf van ladingsdichtheid feitelijk optreedt bij een temperatuur die veel lager is dan die van magnetisme. We kennen geen ander voorbeeld waar dit daadwerkelijk gebeurt in een materiaal als dit, dat een kagome-rooster heeft. Dat suggereert dat het te maken kan hebben met het magnetisme."

De ijzergermaniumkristallen die in de experimenten werden gebruikt, werden gekweekt in het laboratorium van Dai en hebben een duidelijke rangschikking van atomen in hun kristalrooster die doet denken aan de patronen in Japanse kagome-manden. Gelijkzijdige driehoeken in het rooster dwingen elektronen tot interactie, en omdat ze een hekel hebben om dicht bij elkaar te zijn, frustreert dit hun bewegingen. De forcering neemt toe naarmate de temperatuur daalt, wat aanleiding geeft tot collectief gedrag zoals de golf van ladingsdichtheid.

Studie co-corresponderende auteur Ming Yi, ook van Rice, zegt dat "de golf van ladingsdichtheid is als golven die zich vormen op het oppervlak van de oceaan. Het vormt zich alleen wanneer de omstandigheden goed zijn. In dit geval hebben we het waargenomen toen een uniek kenmerk in de vorm van een zadel verscheen in de kwantumtoestanden waarin de elektronen mogen leven. Het verband met magnetische orde is dat deze ladingsdichtheidsgolf alleen optreedt wanneer magnetisme het zadel doet verschijnen. Dat is onze hypothese."

De experimenten bieden een verleidelijke blik op de eigenschappen die natuurkundigen zullen vinden in kwantummaterialen die zowel topologische kenmerken hebben als die welke voortkomen uit sterk gecorreleerde elektroneninteracties.

In topologische materialen produceren patronen van kwantumverstrengeling "beschermde" toestanden die niet kunnen worden gewist. De onveranderlijke aard van topologische toestanden is van toenemend belang voor kwantumcomputers en spintronica. De vroegste topologische materialen waren niet-geleidende isolatoren waarvan de beschermde toestand hen in staat stelde om elektriciteit op beperkte manieren te geleiden, zoals op 2D-buitenoppervlakken of langs 1D-randen.

"In het verleden waren topologische materialen typen die zeer zwak gecorreleerd waren", zegt Yi, een assistent-professor natuurkunde en astronomie bij Rice. "Mensen gebruikten die materialen om de topologie van kwantummaterialen echt te begrijpen, maar de uitdaging is nu om materialen te vinden waarin we kunnen profiteren van zowel topologische toestanden als sterke elektronencorrelaties."

In sterk gecorreleerde materialen leiden de interacties van miljarden tot miljarden elektronen tot collectieve gedragingen zoals onconventionele supergeleiding of de voortdurende fluctuaties tussen magnetische toestanden in kwantumspinvloeistoffen.

"Voor zwak gecorreleerde materialen zoals de originele topologische isolatoren, werken de eerste principe-berekeningen heel goed," zei Yi. "Gewoon op basis van hoe de atomen zijn gerangschikt, kun je berekenen wat voor soort bandstructuur je kunt verwachten. Er is een heel goed pad vanuit het perspectief van materiaalontwerp. Je kunt zelfs de topologie van de materialen voorspellen."

"Maar sterk gecorreleerde materialen zijn uitdagender", zei ze. "Er is een gebrek aan verband tussen theorie en meting. Het is dus niet alleen moeilijk om materialen te vinden die zowel sterk gecorreleerd als topologisch zijn, maar als je ze vindt en meet, is het ook erg moeilijk om te verbinden wat je meet met een theoretisch model dat uitlegt wat er aan de hand is."

Yi en Dai zeiden dat kagome-roostermaterialen een weg vooruit kunnen bieden.

"Op een gegeven moment wil je kunnen zeggen:'Ik wil een materiaal maken met bepaalde gedragingen en eigenschappen', zei Yi. "Ik denk dat Kagome een goed platform is in die richting, omdat er manieren zijn om op basis van de kristalstructuur directe voorspellingen te doen over het soort bandstructuur dat je krijgt en dus over de verschijnselen die kunnen ontstaan ​​op basis van die bandstructuur. Het heeft veel van de juiste ingrediënten." + Verder verkennen

Nieuw ontdekte magnetische interacties kunnen leiden tot nieuwe manieren om de elektronenstroom te manipuleren