Een halve eeuw lang hebben wetenschappers zich verdiept in de mysteries van 1T-fase tantaaldisulfide (1T-TaS₂ ), een anorganisch gelaagd materiaal met enkele intrigerende kwantumeigenschappen, zoals supergeleiding en ladingsdichtheidsgolven (CDW).

Om de complexe structuur en het gedrag van dit materiaal te ontsluiten, hebben onderzoekers van het Jozef Stefan Instituut in Slovenië en de Université Paris-Saclay in Frankrijk contact opgenomen met experts die gebruik maakten van de Pair Distribution Function (PDF)-bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). ), een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory van DOE, om meer te leren over de structuur van het materiaal.

Hoewel het team in Slovenië dit soort materialen al tientallen jaren bestudeerde, ontbrak het hen aan de specifieke structurele karakterisering die PDF kon bieden.

De resultaten van deze samenwerking, onlangs gepubliceerd in Nature Communications , onthulde een verborgen elektronische toestand die alleen kon worden gezien door een lokale structuursonde, zoals de paarverdelingsfunctietechniek. Met een vollediger begrip van 1T-TaS₂ Door de elektronische toestanden van de wereld kan dit materiaal op een dag een rol spelen bij gegevensopslag, kwantumcomputers en supergeleiding.

Een beter uitkijkpunt biedt een beter zicht

Wanneer wetenschappers een materiaal bestuderen, willen ze soms zien hoe de atomen zijn gerangschikt over het korte bereik (een schaal van 10 nanometer) en soms willen ze zien hoe de patronen in een atomaire structuur zich herhalen over het lange bereik, zoals een micrometerschaal. .

Het verschil tussen deze schalen is vergelijkbaar met het kijken naar een paar verschillende gebouwen in één straat versus de manier waarop gebouwen over verschillende stadsblokken zijn gerangschikt. Elk van deze taken vereist een heel ander gezichtspunt. Bij het bestuderen van de eigenschappen van een materiaal kunnen onderzoekers bepaald gedrag mogelijk alleen op een specifieke lengteschaal zien.

"We doen verschillende soorten metingen aan de bundellijn", legt hoofdbundellijnwetenschapper Milinda Abeykoon uit. "Gewoonlijk gebruiken we röntgenpoederdiffractie (XRD) om de langeafstandsvolgorde van een monster te karakteriseren, maar in dit materiaal vermoedden we het naast elkaar bestaan ​​van geordende kenmerken op korte afstand die tot de interessante eigenschappen ervan zouden kunnen leiden, dus PDF was ideaal voor dit soort structurele karakterisering.

"De bundellijn beschikt ook over gespecialiseerde apparatuur, zoals de gecombineerde opstelling van een cryostream en een heteluchtblazer, wat cruciaal was voor ons om enkele van de subtiele temperatuurafhankelijke kenmerken van dit materiaal over een zeer breed temperatuurbereik te ontdekken."

"Je kunt een materiaal hebben dat eruitziet als een ideaal, geordend systeem voor de lange afstand wanneer het wordt waargenomen met behulp van XRD, maar structurele afwijkingen op een kortere schaal kunnen worden gedetecteerd wanneer PDF wordt gebruikt", zegt Emil Bozin, een wetenschapper die het PDF-onderzoek leidt binnen de Afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van het Brookhaven National Laboratory en een van de hoofdauteurs van dit artikel.

"Als we deze techniek niet hadden toegepast, hadden we niet kunnen zien dat er feitelijk een verborgen korteafstandsorder in het systeem zat die alle eerder gebruikte sondes hadden gemist. Er zit een belangrijk lokaal structureel aspect aan. "

1T-TaS₂ :Een gelaagd materiaal vol verrassingen

Overgangsmetaaldichalcogeniden, of TMD's, zijn een klasse materialen die zijn opgebouwd uit atomair dunne lagen. TMD's bevatten een overgangsmetaal dat zich tussen twee lagen chalcogenen bevindt, materialen die zuurstof, zwavel en selenium bevatten. Elk van deze materiaallagen is slechts één atoom dik:een miljoenste van de dikte van een menselijke haar.

In het geval van 1T-TaS₂ , een dunne laag tantaal is ingeklemd tussen twee zwavellagen. Elk materiaal heeft zijn eigen bijzondere, gelaagde structuur, maar wanneer de lagen worden gecombineerd, interageren elektronen met elkaar in deze andere omgeving en creëren nieuwe eigenschappen.

TMD's worden al tientallen jaren bestudeerd omdat ze tijdens het afkoelen fascinerende maar complexe CDW's vertonen. CDW's zijn een geordende afstemming van ladingen op lange afstand die door verschillende factoren kunnen worden aangestuurd; in verschillende TMD-materialen stapelen de lagen zich op subtiel verschillende manieren op. Hoe de structuur zichzelf ordent, creëert een heel specifiek systeem.

1T-TaS₂ is in veel opzichten bijzonder. Net als andere TMD's vertoont het deze CDW, maar in tegenstelling tot de anderen die metaalachtig blijven, wat betekent dat ze de elektrische stroom goed geleiden, is dit specifieke systeem feitelijk isolerend in zijn CDW-toestand.

CDW is een kwantumfenomeen waarbij sprake is van de beweging van elektronen die een zich herhalend patroon vormen binnen een materiaal. Deze opstelling beïnvloedt de elektronische en structurele eigenschappen van het materiaal, waardoor het openstaat voor verschillende toepassingen, waaronder geheugenopslag, sensortechnologie en kwantumcomputers.

Nog een opvallend kenmerk van 1T-TaS₂ is dat het een kandidaatmateriaal is voor kwantumspinvloeistof. Kwantumspinvloeistoffen zijn paramagnetische systemen, wat betekent dat het materiaal geen magnetische orde op lange afstand heeft. Als gevolg van kwantumfluctuaties ordent hun spin nooit, zelfs niet bij lage temperaturen. Deze materialen worden gekenmerkt door kwantumverstrengeling, waardoor ze onder de aandacht zijn gekomen van onderzoekers op het gebied van topologische kwantumberekeningen.

"Dit is een concept dat in theoretische zin diepgaand is onderzocht", zegt Bozin, "maar er zijn weinig gegevens over de daadwerkelijke realisatie van deze concepten door het systeem. Hoewel we dit probleem niet rechtstreeks in ons onderzoek aanpakken, is het een van de de belangrijkste kenmerken van dit materiaal die het zo interessant maken. Als bewezen wordt dat de theoretische spin-vloeistoftoestand van dit materiaal daadwerkelijk kan worden gestabiliseerd, opent dit nieuwe mogelijkheden in de wereld van de kwantuminformatiewetenschap."

Licht schijnen op nieuwe fasen

"1T-TaS₂ is niet alleen interessant vanwege het potentieel ervan in kwantumcomputing. Er zijn ook toepassingen in de klassieke computerwereld die van directer praktisch belang zijn", zegt Dragan Mihailovic, hoofd van de afdeling voor complexe materie aan het Jozef Stefan Instituut in Slovenië en een van de hoofdauteurs van dit artikel.

"We ontdekten dat dit materiaal iets heel bijzonders doet als het wordt blootgesteld aan zeer korte licht- of elektriciteitspulsen. Deze pulsen kunnen een verandering in de ladingsconfiguratie binnen de CDW veroorzaken, wat op zijn beurt leidt tot een grote daling van de elektrische weerstand.

"Bij lage temperaturen kunnen deze veranderingen in een 'metastabiele' geleidende toestand terechtkomen, die naar wens controleerbaar kan worden teruggeschakeld naar de isolerende toestand. Dit heeft praktische toepassingen in computers, zoals geheugenopslag, die het team in Slovenië al begint te verkennen met belangrijke spelers in de technologie-industrie.

"De belangrijkste voordelen komen voort uit het feit dat dergelijke apparaten weerstandsschakeltijden van minder dan picoseconden vertonen en een record-lage dissipatie hebben in het atto-Joule-bereik. Gecombineerd met uitstekende cyclische en schalingseigenschappen, zijn dergelijke 'charge configuratie-geheugen'-apparaten gebaseerd op 1T- TaS₂ zijn veelbelovend voor allerlei soorten cryocomputing-toepassingen."

"Gebruik de PDF-techniek om de kristallijne structuur van 1T-TaS₂ te onderzoeken over een breed temperatuurbereik hebben we een aantal zeer verrassende waarnemingen gedaan", merkte Abeykoon op. "De temperatuur van het materiaal verandert de elektronische structuur."

Naarmate de temperatuur wordt verlaagd, komt het materiaal in de CDW-toestand terecht, waar de langeafstandsvolgorde van het materiaal begint te vervormen en veranderen. Onder de 50 K – de temperaturen waarbij de toepassing van snelle lichtpulsen resulteert in een metastabiele toestand – vertoont het materiaal een onverwachte structurele vervorming die aangrenzende tantaallagen koppelt. Deze vervorming zou de sleutel kunnen zijn tot het bereiken van een langdurige toestand gecreëerd door pulsen.

Omgekeerd wordt door het verwarmen van het materiaal boven 550 K de CDW volledig verwijderd, wat zou moeten resulteren in een onvervormd materiaal.

"Verrassend genoeg blijven vervormingen op korte afstand, vergelijkbaar met die bij lage temperaturen, op lokale schaal bestaan ​​bij temperaturen ver boven die van de CDW-staat", legt Abeykoon uit. "Dit resultaat geeft een idee van wat de vorming van CDW in dit systeem drijft."

Deze vervormingen bij hoge temperaturen zijn afkomstig van polaronen, quasideeltjes die worden gecreëerd door elektronen terwijl ze door de roosterstructuur van een materiaal bewegen en er lokaal mee interageren. Boven 600 K begint de gelaagde structuur van het systeem onomkeerbaar te veranderen. Het verandert van een homogene stapeling van één type zwavel-tantaal-zwavel-sandwichlaag naar een heterogene stapeling waarbij elke andere sandwichlaag van type verandert.

Terwijl de verandering plaatsvindt, daalt het aantal polaronen met 50%. Dit betekent dat de polarons slechts één type sandwichlaag prefereren:die welke te zien is in de ongerepte 1T-TaS₂ .

"Dit levert onmiskenbaar bewijs voor het bestaan ​​van polaronen ver boven de CDW-ordeningstemperatuur, wat nog nooit eerder is waargenomen", zegt Mihailovic.

De ladingsordening van dit materiaal – de patronen die elektronen creëren op basis van hun dichtheid in verschillende delen van een materiaal – wordt aangedreven door een heel ander mechanisme dan je traditioneel zou verwachten. De ordening omvat de kristallisatie van polaronen in hun eigen geordende staat. Dit is vergelijkbaar met iets dat bekend staat als een 'Wigner-kristal', dat elektronen beschrijft die in een vaste, kristallijne toestand zijn gerangschikt.

Het begrijpen van de complexe elektronische eigenschappen van dit materiaal en hoe deze te controleren opent een groot aantal potentiële toepassingen op het gebied van elektronica, detectie en computers, maar er valt nog zoveel meer te leren. Hoewel deze verborgen toestanden die optreden wanneer het materiaal wordt geraakt met ultrasnelle laserpulsen in het verleden zijn waargenomen, zijn ze nooit volledig begrepen.

Het team is van plan de atomaire structuur en de relatie ervan met de geordende evenwichtsstructuur te decoderen. De temperatuurafhankelijke aard van de metastabiele toestand wordt nog steeds niet volledig begrepen. Om de optische en elektrische schakelmogelijkheden van dit materiaal voor hightechtoepassingen bij warmere temperaturen volledig te realiseren, moeten onderzoekers meer details over deze toestand bepalen.

‘Er zijn nog steeds verschillende onontdekte gebieden in dit systeem,’ zei Bozin, ‘inclusief de lokale structuur. Uit ons onderzoek is gebleken dat dit systeem eigenlijk veel complexer is, en dat was het al complex om mee te beginnen. Er zijn geheimen over dit materiaal die blijven uitkomen, en dat zal de komende decennia ook zo blijven."

Meer informatie: E. S. Bozin et al., Kristallisatie van polaronen door ladings- en spinordeningsovergangen in 1T-TaS₂ , Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42631-6

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door Brookhaven National Laboratory