Квантовые законы дорожного движения, примененные к трехмерному уличному пейзажу определенного вида кристалла, могут затормозить электронный час пик.
В поисках новых материалов, которые могут содержать причудливые новые состояния материи, физики из Университета Райса в США провели эксперимент, который заставил свободно перемещающиеся электроны оставаться на месте. Это исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
Хотя это явление наблюдалось в материалах, где электроны ограничены только двумя измерениями, впервые оно наблюдалось в трехмерной кристаллической решетке металла, известной как пирохлор. Этот метод дает исследователям новый инструмент для изучения менее традиционной деятельности отважных частиц, несущих заряд.
«Мы ищем материалы, в которых потенциально существуют новые состояния материи или новые экзотические свойства, которые еще не были обнаружены», — говорит физик из Университета Райса Минг Йи.
Точно так же, как свет можно описать как волнами, так и частицами, так же можно описать и строительные блоки атомов.
Волновое квантовое поведение электронов важно для понимания того, как они координируют свою активность в определенных условиях. Охлажденные электронные волны могут объединять силы друг с другом в актах запутывания, которые позволяют им проскальзывать сквозь твердые тела, как призраки, создавая энергоэффективные материалы, называемые сверхпроводниками.
Поведением электрона можно управлять и другими способами. Расположение элементов в правильных соотношениях вместе приводит к созданию уникальных перекрестков, которые немного напоминают светофоры, превращая то, что в противном случае могло бы быть хаотичной суетой пешеходов и пассажиров, в плавное ползание, которое называется геометрическим разочарованием.
Пирохлоры представляют собой сложные минералы с шаблонной структурой, что делает их полезными для ряда исследовательских и промышленных целей. Создание одного из смеси меди, ванадия и серы дало исследователям геометрически нарушенный металл, который мог направлять электронные волны в узкие места.
«Этот эффект квантовой интерференции аналогичен волнам, скользящим по поверхности пруда и встречающимся в лоб», — говорит Йи. «Столкновение создает стоячую волну, которая не движется. В случае с геометрически нарушенными решетчатыми материалами разрушительное влияние оказывают электронные волновые функции».
Метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением, позволил команде измерить энергию и импульс электронов в трехмерной решетке, продемонстрировав, что одно не зависит от другого, как обычно.
В этом необычном пространстве, известном как плоская зона, взаимодействия между холостыми электронами регулируются другим набором правил, которые теоретически могут дать физикам новый способ понимания электромагнитных явлений, таких как сверхпроводимость.
Хотя аналогичные локализованные электроны наблюдались в двумерных материалах, известных как решетки Кагоме, появление плоской полосы из-за интерферирующих волн, проходящих через трехмерную решетку, является доказательством концепции, которая может привести к созданию совершенно нового класса материалов.
«Пирохлор — не единственная игра в городе», — говорит физик из Университета Райса Цимяо Си. «Это новый принцип проектирования, который позволяет теоретикам прогнозировать материалы, в которых плоские зоны возникают из-за сильных электронных корреляций».
