חומר גבישי לוכד אלקטרונים בתלת מימד - עולם הפיזיקה

פיזיקאים ייצרו לראשונה מבנה אלקטרוני המכונה פס שטוח בחומר תלת מימדי. הרצועה השטוחה נוצרה על ידי לכידת אלקטרון בתוך גביש הנקרא פירוכלור, וצוות בינלאומי בראשות יוסף צ'קלסקי ו ריקרדו קומין של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), ארה"ב, השתמשו בו כדי להפוך את החומר למוליך-על. כמו גם מוליכות-על, החומר יכול להציע פלטפורמה לחקר פיזיקה אחרת הנובעת מאלקטרונים בעלי קורלציה חזק, כולל צורות חדשות של מגנטיות ושבירת סימטריה אלקטרונית. מה שכן, הצוות אומר שמצב הפס השטוח יכול, באופן עקרוני, להופיע בצירופים אחרים של אטומים, בתנאי שהאטומים תופסים סידור המכונה סריג גרף קווים.

רצועות אלקטרוניות שטוחות מעניינות לפיזיקאים מכיוון שהאלקטרונים הופכים ל"חסרי פיזור" בלהקות אלה - כלומר, האנרגיה הקינטית שלהם מדוכאת לחלוטין כך שהם לא יכולים עוד לנוע כל כך בחופשיות בסריג חומרי. כשהאלקטרונים מאטים כמעט עד לעצירה, הם מתמקמים במיקומים ספציפיים בסריג ומתחילים ליצור אינטראקציה חזקה אחד עם השני בדרכים מתואמות. יש לכך מספר השלכות פיזיות. ביניהם, המסה האפקטיבית של האלקטרונים מתקרבת לאינסוף, מה שמייצר תופעות טופולוגיות אקזוטיות ומצבי חומר בקורלציה הדוק הקשורים למוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, למגנטיות ולתכונות קוונטיות אחרות של מוצקים.

למרות שחוקרים יצרו מצבי פס שטוח בחומרים דו-ממדיים בעבר, הוכח שקשה לשמור על מצבים אלו בתלת-ממד. הסיבה לכך היא שהאלקטרונים הכלואים בדו-ממד "בורחים" דרך הממד השלישי.

סריגי קגומה

במחקר קודם, חוקרים בראשות צ'קלסקי וקומין צפו באלקטרונים לכודים בסריג קגומה דו-ממדי - תבנית שנוצרה על ידי משולשים מחוברים זה לזה, חולקים פינות. בסריג זה, הנקרא על שם מבנה דומה המופיע בסלים יפניים מסורתיים, אלקטרונים נעשים מוגבלים במרווח המשושה בין המשולשים. עם זאת, בעוד שהאלקטרונים לא יכלו לדלג על רשת הקגומה הדו-ממדית, הם יכלו לברוח למעלה ולצאת ממנו.

הצוות תיקן זאת כעת על ידי יצירת מצב פס שטוח בחומר סריג תלת מימדי, CaNi₂. חומר זה, המכונה מבחינה טכנית מתכת C15 Laves, מכיל אטומי ניקל המסודרים בפירוכלור, שהוא סידור מבני תלת מימדי המורכב מתבנית חוזרת של קוביות. פניה של כל קובייה מזכירים סריג קגומה ואלקטרונים נלכדים בגיאומטריה של ה"פיגום" האטומי המקיף אותם.

"כשהאלקטרונים מנסים במקביל לקפוץ מהמלכודת הזו, הם מתנגשים זה בזה בדרכם החוצה והמסלולים הקוונטים-מכניים שלהם הורסים את עצמם", מסביר קומין. "האפקט הזה מתרחש מכיוון שהאלקטרונים יכולים להימלט רק על ידי דילוג לאטום שכן, אבל הסידור הגיאומטרי של האטומים גורם להם להתנגש זה בזה בצורה הרסנית, כך שהם נאלצים בסופו של דבר להישאר במלכודת."

אותה פס שטוח של אנרגיה

החוקרים אישרו את תוצאותיהם על ידי מדידת האנרגיה של אלקטרונים בודדים בגביש כדי להראות שכולם נפלו לאותה פס שטוח. הם עשו זאת באמצעות טכניקה ממוקדת הנקראת ספקטרוסקופיה פוטו-פליטה עם פתרון זווית (ARPES). כאן, פוטון יחיד של אור ממוקד במיקומים ספציפיים על פני השטח הלא אחיד של החומר התלת מימדי. בתגובה, החומר פולט אלקטרון בודד, ולאחר מכן ניתן למדוד את האנרגיה של האלקטרון הזה במדויק באמצעות גלאי. טכניקה זו אפשרה לחוקרים "למפות" את האנרגיות של אלקטרונים בודדים על פני השטח של החומר - דבר שלא יהיה אפשרי בניסויים סטנדרטיים של פליטת פוטו.

פיזיקאים מודדים את 'הספין הטופולוגי' של האלקטרון

בניסוי נוסף, הצוות תמרן את האלקטרונים המתואמים על ידי סינתזה של אותה גיאומטריית גבישים עם אטומים של רודיום ורותניום במקום ניקל. הם חישבו שמבנה זה מעביר את אנרגיית הרצועה השטוחה של האלקטרונים לאפס, מה שמוביל למוליכות-על כאשר אלקטרונים מתלכדים.

קומין אומר שהתגלית תאפשר לפיסיקאים לעצב וליצור כיתות חדשות של חומרים קוונטיים. "מוליכים הם החומרים הקוונטיים המהותיים, שבהם האלקטרונים עובדים ביחד כדי לממש 'כוריאוגרפיה' קוונטית שמתורגמת לתופעות אקזוטיות שונות שאינן מוצגות על ידי חומרים רגילים", הוא אומר. כדוגמאות, הוא מביא זרימת זרם חשמלי ללא פיזור (אפס התנגדות); ריחוף מגנטי (דיאמגנטיות מושלמת, או אפקט מייסנר) ומימוש התקנים קוונטיים באמצעות הפרעות קוונטיות ואפקט ג'וזףסון.

הגילוי של פסים שטוחים בתלת מימד מאפשר גם סט חדש של כללי עיצוב שלדברי קומין ירחיב ויגוונו את מגרש המשחקים של מוצקים קוונטיים, כולל מוליכים בין סוגי חומרים אחרים. הצוות מתכנן כעת ללמוד רצועות שטוחות כאלה שנולדו בסריג בחומרים אחרים.

הם מדווחים על עבודתם הנוכחית ב טבע

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/crystalline-material-traps-electrons-in-3d/