8 نوامبر 2023 – توسط موسسه فناوری ماساچوست
فیزیکدانان MIT الکترون ها را در یک کریستال خالص به دام انداخته اند که اولین دستاورد یک نوار تخت الکترونیکی در یک ماده سه بعدی است. حالت الکترونیکی نادر به لطف آرایش مکعبی ویژه اتم ها (تصویر) است که شبیه هنر ژاپنی “کاگومه” است. نتایج روش جدیدی را برای دانشمندان فراهم می کند تا حالت های الکترونیکی کمیاب را در مواد سه بعدی کشف کنند. اعتبار: جوزف چکلسکی، ریکاردو کومین، و همکاران
الکترون ها از طریق یک ماده رسانا مانند مسافران در اوج ساعت شلوغی منهتن حرکت می کنند. ذرات باردار ممکن است تکان بخورند و با یکدیگر برخورد کنند، اما در بیشتر موارد، در حین حرکت به سمت جلو، آنها به الکترون‌های دیگر توجهی ندارند، که هر کدام انرژی خاص خود را دارند.
اما وقتی الکترون‌های یک ماده در کنار هم گیر می‌افتند، می‌توانند در همان حالت انرژی قرار بگیرند و مانند یکدیگر رفتار کنند. در فیزیک، این حالت جمعی و زامبی مانند به عنوان یک “باند تخت” الکترونیکی شناخته می شود. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که وقتی الکترون‌ها در این حالت هستند، می‌توانند اثرات کوانتومی الکترون‌های دیگر را احساس کنند و به روش‌های هماهنگ و کوانتومی عمل کنند. سپس، رفتارهای عجیب و غریب مانند ابررسانایی و اشکال منحصر به فرد مغناطیس ممکن است ظاهر شود.
اکنون، فیزیکدانان MIT با موفقیت الکترون ها را در یک کریستال خالص به دام انداخته اند. این اولین بار است که دانشمندان به یک نوار تخت الکترونیکی در یک ماده سه بعدی دست یافته اند. با برخی دستکاری های شیمیایی، محققان همچنین نشان دادند که می توانند کریستال را به یک ابررسانا تبدیل کنند – ماده ای که الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت می کند.
هندسه اتمی کریستال حالت به دام افتاده الکترون ها را ممکن می سازد. کریستالی که فیزیکدانان آن را سنتز کردند، دارای آرایشی از اتم ها است که شبیه الگوهای بافته شده در “کاگومه”، هنر ژاپنی سبد بافی است. در این هندسه خاص، محققان دریافتند که الکترون‌ها به جای اینکه بین اتم‌ها بپرند و در همان باند انرژی مستقر شوند، «حبس» شده‌اند.
محققان می گویند که این حالت باند مسطح را می توان تقریباً با هر ترکیبی از اتم ها تحقق بخشید – به شرطی که آنها در این هندسه سه بعدی الهام گرفته از کاگومه چیده شوند. نتایج در Nature روش جدیدی را برای دانشمندان فراهم می کند تا حالت های الکترونیکی کمیاب را در مواد سه بعدی کشف کنند. این مواد ممکن است روزی برای فعال کردن خطوط برق فوق کارآمد، بیت‌های کوانتومی ابر محاسباتی و دستگاه‌های الکترونیکی سریع‌تر و هوشمندتر بهینه شوند.
جوزف چکلسکی، استادیار فیزیک، نویسنده این مطالعه می‌گوید: «اکنون که می‌دانیم می‌توانیم یک نوار مسطح از این هندسه بسازیم، انگیزه بزرگی برای مطالعه ساختارهای دیگری داریم که ممکن است فیزیک جدید دیگری داشته باشند که می‌تواند بستری برای فناوری‌های جدید باشد .
در سال‌های اخیر، فیزیکدانان با موفقیت الکترون‌ها را به دام انداخته‌اند و حالت نوار تخت الکترونیکی آنها را در مواد دو بعدی تأیید کرده‌اند. با این حال، دانشمندان دریافته‌اند که الکترون‌هایی که در دو بعد به دام افتاده‌اند، می‌توانند به راحتی از بعد سوم فرار کنند و حفظ حالت‌های باند مسطح را در دو بعدی دشوار می‌کنند.
چکلسکی، کومین و همکارانشان در مطالعه جدید خود به دنبال یافتن نوارهای مسطح در مواد سه بعدی بودند، به گونه ای که الکترون ها در هر سه بعد به دام می افتند و هر حالت الکترونیکی عجیب و غریب می تواند با ثبات تر حفظ شود. آنها این ایده را داشتند که الگوهای کاگومه ممکن است نقشی داشته باشند.
در کار قبلی، این تیم الکترون‌های به دام افتاده را در یک شبکه دو بعدی از اتم‌ها مشاهده کردند که شبیه برخی طرح‌های کاگوم بود. هنگامی که اتم‌ها در الگویی از مثلث‌های به هم پیوسته و به اشتراک‌گذاشته قرار گرفتند، الکترون‌ها به جای پرش از روی شبکه، در فضای شش ضلعی بین مثلث‌ها محصور شدند. اما، مانند دیگران، محققان دریافتند که الکترون‌ها می‌توانند از طریق بعد سوم از شبکه به بالا و خارج بگریزند.
این تیم تعجب کرد: آیا یک پیکربندی سه بعدی از شبکه های مشابه می تواند برای جعبه سازی در الکترون ها کار کند؟ آنها به دنبال پاسخی در پایگاه‌های داده ساختارهای مواد گشتند و با پیکربندی هندسی خاصی از اتم‌ها مواجه شدند که عموماً به عنوان پیروکلر طبقه‌بندی می‌شوند – نوعی کانی با هندسه اتمی بسیار متقارن. ساختار اتم‌های سه بعدی پیکلور یک الگوی مکعبی تکراری را تشکیل می‌دهد، وجهه هر مکعب شبیه یک شبکه کاگوم مانند است. آنها دریافتند که از نظر تئوری، این هندسه می تواند به طور موثر الکترون ها را در هر مکعب به دام بیندازد.
برای آزمایش این فرضیه، محققان یک کریستال پیروکلر را در آزمایشگاه سنتز کردند.
چکلسکی توضیح می دهد: «این بی شباهت به نحوه ساختن کریستال های طبیعت نیست. ما عناصر خاصی را در کنار هم قرار می دهیم – در این مورد، کلسیم و نیکل – آنها را در دمای بسیار بالا ذوب می کنیم، آنها را خنک می کنیم و اتم ها خود به خود در این پیکربندی کریستالی و کاگوم مانند قرار می گیرند.
آنها سپس انرژی تک تک الکترون‌ها را در کریستال اندازه‌گیری کردند تا ببینند آیا آنها در همان نوار مسطح انرژی می‌افتند یا خیر. برای انجام این کار، محققان معمولاً آزمایش‌هایی را انجام می‌دهند که در آن یک فوتون نور را به یک نمونه می‌تابانند.. سپس یک آشکارساز می تواند دقیقاً انرژی آن الکترون را اندازه گیری کند.
دانشمندان از انتشار نور برای تایید حالت های نوار مسطح در مواد دو بعدی مختلف استفاده کرده اند. اندازه گیری این مواد به دلیل ماهیت دو بعدی و مسطح فیزیکی آنها با استفاده از نور لیزر استاندارد نسبتاً ساده است. اما برای مواد سه بعدی، کار چالش برانگیزتر است.
Comin توضیح می دهد: “برای این آزمایش، شما معمولاً به یک سطح بسیار صاف نیاز دارید.” اما اگر به سطح این مواد سه بعدی نگاه کنید، آنها مانند کوه‌های راکی هستند، با چشم‌انداز بسیار موج‌دار. آزمایش‌ها روی این مواد بسیار چالش برانگیز هستند و این بخشی از دلیلی است که هیچ‌کس نشان نداده است که الکترون‌های به دام افتاده را میزبانی می‌کنند. “
این تیم این مانع را با طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه (ARPES)، یک پرتو نور فوق‌متمرکز که قادر است مکان‌های خاصی را در یک سطح سه بعدی ناهموار هدف قرار داده و انرژی‌های تک تک الکترون‌ها را در آن مکان‌ها اندازه‌گیری کند، برطرف کردند.
کومین می گوید: «این مانند فرود آمدن یک هلیکوپتر بر روی سکوهای بسیار کوچک، در سراسر این منظره سنگی است.
با ARPES، تیم انرژی هزاران الکترون را در یک نمونه بلوری سنتز شده در حدود نیم ساعت اندازه‌گیری کرد. آنها دریافتند که الکترون‌های کریستال انرژی مشابهی را از خود نشان می‌دهند که حالت نوار تخت ماده سه بعدی را تأیید می‌کند.
محققان برای اینکه ببینند آیا می‌توانند الکترون‌های هماهنگ شده را به حالت الکترونیکی عجیب و غریب دستکاری کنند، همان هندسه کریستالی را سنتز کردند، این بار با اتم‌های رودیوم و روتنیم به جای نیکل. روی کاغذ، محققان محاسبه کردند که این مبادله شیمیایی باید نوار مسطح الکترون ها را به انرژی صفر تغییر دهد – حالتی که به طور خودکار به ابررسانایی منجر می شود.
در واقع، آنها دریافتند که وقتی یک کریستال جدید را با ترکیب کمی متفاوت از عناصر، در همان هندسه سه بعدی کاگوم مانند سنتز کردند، الکترون‌های کریستال نوار مسطحی را به نمایش گذاشتند، این بار در حالت‌های ابررسانا.
Comin می گوید: «این یک الگوی جدید برای فکر کردن در مورد چگونگی یافتن مواد کوانتومی جدید و جالب ارائه می دهد. “ما نشان دادیم که با این ترکیب خاص این آرایش اتمی که می تواند الکترون ها را به دام بیندازد، همیشه این نوارهای مسطح را پیدا می کنیم. این فقط یک ضربه خوش شانس نیست. از این نقطه به بعد، چالش بهینه سازی برای رسیدن به وعده باند تخت مواد، به طور بالقوه برای حفظ ابررسانایی در دماهای بالاتر است..”
