Wetenschap
Natuurkundigen ontdekken een nieuwe manier om vreemd metaal te maken
Door te sleutelen aan een kwantummateriaal dat wordt gekenmerkt door atomen die zijn gerangschikt in de vorm van een sheriffster, hebben natuurkundigen en collega's van MIT onverwacht een nieuwe manier ontdekt om een toestand van materie bekend te maken als een vreemd metaal. Vreemde metalen zijn van belang vanwege hun ongebruikelijke fysica en omdat ze zijn aangetroffen in supergeleiders bij hoge temperaturen die van cruciaal belang zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen.
Het werk introduceert een geheel nieuwe manier om vreemde metalen te creëren en te bestuderen, waarvan de elektronen zich anders gedragen dan die in een conventioneel metaal als koper. "Het is een potentiële nieuwe benadering voor het ontwerpen van deze ongebruikelijke materialen", zegt Joseph G. Checkelsky, hoofdonderzoeker van het onderzoek en universitair hoofddocent natuurkunde.
Linda Ye, MIT Ph.D. '21, is de eerste auteur van een artikel over het werk dat eerder dit jaar werd gepubliceerd in Nature Physics . "Een nieuwe manier om vreemde metalen te maken zal ons helpen een verenigende theorie achter hun gedrag te ontwikkelen. Dat is tot nu toe een hele uitdaging geweest en zou kunnen leiden tot een beter begrip van andere materialen, waaronder supergeleiders bij hoge temperaturen", zegt Ye, nu een onderzoeker. assistent-professor aan het California Institute of Technology.
De natuurfysica Het artikel gaat vergezeld van een News &Views-artikel met de titel:"Een vreemde manier om een vreemd metaal te krijgen."
In 2018 rapporteerden Checkelsky en veel van dezelfde collega's over een klasse kwantummaterialen die bekend staat als kagome-metalen. Leden van de kagome-metaalfamilie zijn samengesteld uit lagen atomen gerangschikt in een rooster van zich herhalende eenheden, vergelijkbaar met een davidster of een sheriff-insigne. Het patroon komt ook veel voor in de Japanse cultuur, vooral als mandenvlechtmotief.
"We waren geïnteresseerd in het Kagome-rooster omdat de theorie aantoonde dat het een verscheidenheid aan interessante kenmerken zou moeten bevatten voor de elektronen die erop zitten", zegt Linda Ye. In hun artikel Ye uit 2018 meldden Checkelsky en collega's, waaronder Riccardo Comin en Liang Fu (ook van de natuurkunde van het MIT), dat hun nieuwe Kagome-metaal Dirac-fermionen produceerde, bijna massaloze deeltjes die lijken op de fotonen die licht transporteren.
‘In dat geval werden de Dirac-fermionen min of meer verwacht op basis van berekeningen’, zegt Ye. Maar de vreemde metalen die in het huidige werk werden ontdekt, waren volkomen onverwacht, en "dat brengt ons echt naar een nieuw regime", zegt ze.
Na hun ontdekking van de Dirac-fermionen wilden de onderzoekers zien of ze "een nog interessanter kenmerk in het Kagome-rooster konden vinden, een platte band genaamd", zegt Ye. Dit is een fenomeen waarbij de elektronen in wezen stilstaan, hoewel ze allemaal nog steeds om hun eigen as draaien.
Door elektronen stil te laten staan, kunnen ze echt met elkaar praten. En dat is het moment waarop alle echt interessante dingen in de fysica van de gecondenseerde materie gebeuren.
Op zoek naar een platte band
Meer specifiek was het team op zoek naar een vlakke band op het Fermi-niveau, dat kan worden gezien als het oppervlak van de oceaan. Ze vonden het en begonnen de elektrische eigenschappen van het systeem te onderzoeken terwijl het werd blootgesteld aan hoge druk en een magnetisch veld.
Ze ontdekten dat de elektronen in de platte band een sterke interactie hebben met andere elektronen in het systeem. Het resultaat, zegt Ye, kan opnieuw worden vergeleken met de oceaan. Onverstoorde elektronen in de vlakke band kunnen worden gezien als een kalme zee. Zodra ze met anderen om hen heen in contact komen, verandert de kalme zee in een kolkende storm, waarbij de elektronen op twee verschillende manieren werken. Het resultaat:een vreemd metaal.
"We wisten dat de platte band iets interessants zou opleveren, maar we wisten niet precies wat het ons zou opleveren. En wat we ontdekten is een vreemd metaal", zegt Ye.
Ze merkt op dat het werk aantoont dat het kagome-rooster een "zeer belangrijk ontwerpprincipe is voor nieuwe elektronische toestanden." Als gevolg hiervan wil ze het werk nu uitbreiden naar andere roosters.
De ontdekking is het resultaat van jarenlang onderzoek. Zelf begon u rond 2015 met het verkennen van Kagome-systemen. "Het is een lang project geweest", zegt ze. "Het was behoorlijk de moeite waard om dit stap voor stap op te bouwen en onderweg veel interessante dingen te ontdekken."
Ye en Checkelsky's MIT co-auteurs zijn Shiang Fang, een postdoc-medewerker van MIT natuurkunde; Mingu Kang, MIT Ph.D. '23, nu aan de Cornell University; Yonghun Lee, een bezoekende student; Caolan John en Paul M. Neves, afgestudeerde natuurkundestudenten aan het MIT; S.Y. Frank Zhao, een postdoctoraal medewerker natuurkunde van het MIT; en Riccardo Comin, universitair hoofddocent natuurkunde van de klas van 1947.
Andere auteurs zijn Josef Kaufmann van de Technische Universiteit van Wenen en het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick en Eli Rotenberg, allemaal van het Lawrence Berkeley National Laboratory; Efthimios Kaxiras en David C. Bell van de Harvard Universiteit; en Oleg Janson van het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research.