مواد کریستالی الکترون ها را در دنیای فیزیک سه بعدی به دام می اندازد

فیزیکدانان برای اولین بار یک ساختار الکترونیکی به نام نوار مسطح در یک ماده سه بعدی تولید کردند. نوار مسطح با به دام انداختن یک الکترون در داخل کریستالی به نام پیروکلر و یک تیم بین المللی به رهبری ایجاد شد. جوزف چکلسکی و ریکاردو کومین از موسسه فناوری ماساچوست (MIT)ایالات متحده، از آن برای تبدیل مواد به یک ابررسانا استفاده کرد. علاوه بر ابررسانایی، این ماده می‌تواند بستری برای مطالعه سایر فیزیک‌هایی باشد که از الکترون‌های همبسته قوی ناشی می‌شوند، از جمله اشکال جدید مغناطیس و شکست تقارن الکترونیکی. علاوه بر این، تیم می‌گوید که حالت باند مسطح در اصل می‌تواند در ترکیب‌های دیگری از اتم‌ها ظاهر شود، مشروط بر اینکه اتم‌ها آرایشی به نام شبکه نمودار خطی را اشغال کنند.

نوارهای الکترونیکی مسطح برای فیزیکدانان جالب هستند زیرا الکترون ها در این باندها "بدون پراکندگی" می شوند - یعنی انرژی جنبشی آنها کاملاً سرکوب می شود به طوری که دیگر نمی توانند آزادانه در یک شبکه مادی حرکت کنند. همانطور که الکترون‌ها تقریباً تا حد توقف کند می‌شوند، در موقعیت‌های خاصی در شبکه قرار می‌گیرند و شروع به تعامل قوی با یکدیگر به روش‌های هماهنگ می‌کنند. این چند عواقب فیزیکی دارد. از جمله این است که جرم مؤثر الکترون‌ها به بی‌نهایت نزدیک می‌شود، که پدیده‌های توپولوژیکی عجیب و غریب و حالت‌های همبستگی شدید ماده مرتبط با ابررسانایی در دمای بالا، مغناطیس و سایر خواص کوانتومی جامدات را ایجاد می‌کند.

اگرچه محققان قبلاً حالت های باند مسطح را در مواد دو بعدی ایجاد کرده بودند، ثابت شده است که حفظ این حالت ها در سه بعدی دشوار است. این به این دلیل است که الکترون هایی که در 2 بعدی به دام افتاده اند از طریق بعد سوم "فرار" می کنند.

شبکه های کاگومه

در مطالعه قبلی، محققان به رهبری چکلسکی و کامین الکترون‌های به دام افتاده را در یک شبکه کاگوم دوبعدی مشاهده کردند - الگویی که توسط مثلث‌های به هم پیوسته و به اشتراک‌گذاشته‌شده شکل می‌گیرد. در این شبکه که از ساختار مشابهی که در سبدهای سنتی ژاپنی دیده می شود نامگذاری شده است، الکترون ها با فضای شش ضلعی بین مثلث ها محدود می شوند. با این حال، در حالی که الکترون‌ها نمی‌توانستند از روی شبکه کاگوم دوبعدی بپرند، می‌توانند از آن بالا و خارج شوند.

این تیم اکنون با ایجاد یک حالت باند مسطح در یک ماده شبکه سه بعدی، CaNi، این مشکل را برطرف کرده است.₂. این ماده که از نظر فنی به عنوان فلز فاز C15 Laves شناخته می‌شود، حاوی اتم‌های نیکل است که در یک پیروکلر قرار گرفته‌اند، که یک آرایش ساختاری سه‌بعدی است که از یک الگوی تکرارشونده از مکعب‌ها تشکیل شده است. صورت هر مکعب شبیه یک شبکه کاگوم است و الکترون ها توسط هندسه "داربست" اتمی اطراف آنها به دام می افتند.

کومین توضیح می‌دهد: «وقتی الکترون‌ها به طور همزمان سعی می‌کنند از این تله بیرون بیایند، در راه خروج با یکدیگر برخورد می‌کنند و مسیرهای مکانیکی کوانتومی آن‌ها خود تخریب می‌شوند. این اثر به این دلیل اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها فقط با پرش به اتم همسایه می‌توانند فرار کنند، اما آرایش هندسی اتم‌ها باعث می‌شود که آنها به طور مخربی با یکدیگر برخورد کنند تا در نهایت مجبور شوند در تله بمانند.

همان نوار مسطح انرژی

محققان نتایج خود را با اندازه گیری انرژی تک تک الکترون ها در کریستال تایید کردند تا نشان دهند که همه آنها در یک نوار مسطح قرار گرفته اند. آنها این کار را با استفاده از یک تکنیک هدفمند به نام طیف‌سنجی نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES) انجام دادند. در اینجا، یک فوتون نور بر روی مکان های خاصی در سراسر سطح ناهموار مواد سه بعدی متمرکز می شود. در پاسخ، ماده یک الکترون منفرد ساطع می‌کند و سپس می‌توان انرژی این الکترون را با استفاده از آشکارساز اندازه‌گیری کرد. این تکنیک محققان را قادر ساخت تا انرژی‌های تک تک الکترون‌ها را در سراسر سطح ماده «نقشه‌برداری» کنند - چیزی که با آزمایش‌های استاندارد گسیل نور امکان‌پذیر نیست.

فیزیکدانان "اسپین توپولوژیکی" الکترون را اندازه گیری می کنند

در آزمایشی دیگر، تیم الکترون‌های همبسته را با سنتز هندسه کریستالی مشابه با اتم‌های رودیوم و روتنیم به جای نیکل دستکاری کردند. آنها محاسبه کردند که این ساختار انرژی نوار مسطح الکترون ها را به صفر می رساند، که منجر به ابررسانایی با جفت شدن الکترون ها می شود.

Comin می گوید این کشف فیزیکدانان را قادر می سازد تا کلاس های جدیدی از مواد کوانتومی را طراحی و ایجاد کنند. او می‌گوید: «ابررساناها مواد کوانتومی اساسی هستند، جایی که الکترون‌ها به طور جمعی برای تحقق بخشیدن به یک «رقص» کوانتومی کار می‌کنند که به پدیده‌های عجیب و غریب مختلفی ترجمه می‌شود که توسط مواد معمولی نمایش داده نمی‌شوند. به عنوان مثال، او جریان الکتریکی بدون اتلاف (مقاومت صفر) را ذکر می کند. شناور مغناطیسی (دیامغناطیس کامل یا اثر مایسنر) و تحقق دستگاه های کوانتومی از طریق تداخل کوانتومی و اثر جوزفسون.

کشف باندهای مسطح سه‌بعدی مجموعه جدیدی از قوانین طراحی را نیز امکان‌پذیر می‌سازد که به گفته کامین، زمین بازی جامدات کوانتومی، از جمله ابررساناها در میان انواع دیگر مواد، گسترده‌تر و متنوع‌تر می‌شود. این تیم اکنون قصد دارد چنین نوارهای مسطح مشبکی را در مواد دیگر مطالعه کند.

آنها گزارش کار فعلی خود را در طبیعت

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/crystalline-material-traps-electrons-in-3d/