El primer cristal de este tipo aparece en un avance cuántico metálico

El primer cristal de este tipo aparece en un avance cuántico metálico

houston- En lo que los científicos llaman un «golpe cuántico», un equipo de la Universidad Rice ha realizado un descubrimiento revolucionario en el campo de los materiales cuánticos, revelando el primer metal cristalino 3D de su tipo. Este nuevo material tiene una notable capacidad para detener el movimiento de los electrones, un fenómeno causado por una combinación única de interacciones cuánticas y la estructura geométrica del material.

El estudio no sólo detalla el descubrimiento sino que también describe los principios de diseño innovadores y los métodos experimentales que llevaron a este importante descubrimiento. El material, una combinación de cobre, vanadio y azufre, forma una red de pirocloro tridimensional, una estructura formada por tetraedros de bordes compartidos.

«Buscamos materiales en los que existan estados potencialmente nuevos de la materia o nuevas propiedades inusuales que no se hayan descubierto», dice el coautor del estudio Ming Yi, físico experimental de la Universidad Rice.

Jian Wei Huang
Jian Wei Huang, investigador postdoctoral asociado de la Universidad Rice, realizó experimentos de espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo en esta aleación de cobre y vanadio con aparatos de laboratorio. (Foto de Jeff Fitlow/Universidad Rice)

Los materiales cuánticos, en particular aquellos que facilitan fuertes interacciones de electrones debido al entrelazamiento cuántico, están maduros para tales descubrimientos. El entrelazamiento, un fenómeno cuántico, puede provocar que los electrones queden «bloqueados» en su lugar porque sus movimientos están altamente correlacionados.

Los estudios se han centrado en cómo estas interacciones y estructuras materiales pueden conducir a la localización de electrones, que crean. banda electrónica plana. Hasta ahora, el fenómeno de las bandas planas, que limitan el rango de energía que pueden ocupar los electrones, haciéndolos más propensos a interactuar, se asociaba principalmente con materiales 2D. Esta investigación, sin embargo, proporciona la primera evidencia experimental de tal efecto en un material 3D.

Utilizando espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), una técnica que permite a los científicos observar la disposición y la energía de los electrones en los materiales, el equipo pudo describir en detalle la estructura de bandas de este nuevo material. Descubrieron una banda plana única en el nivel de Fermi, el nivel de energía en el que ocupan los estados electrónicos.

«Resulta que ambos tipos de física son importantes en este material», explica Yi. «El aspecto de frustración geométrica estaba ahí, como predijo la teoría. La agradable sorpresa fue que también hubo efectos de correlación que produjeron una banda plana en el nivel de Fermi, donde podría contribuir activamente a determinar las propiedades físicas. .

El descubrimiento fue posible gracias a los esfuerzos combinados de 10 investigadores de Rice en cuatro laboratorios, con importantes contribuciones de los grupos de investigación del físico Peng Cheng Dai, que preparó las muestras, y Boris Jacobsen, cuyo equipo calculó los efectos de la frustración geométrica. Los experimentos de ARPES se llevaron a cabo en instalaciones prestigiosas, incluido el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y el Laboratorio Nacional Brookhaven.

Las propiedades únicas de este material surgen de una combinación de «frustración geométrica», donde la disposición de los átomos impide que los electrones se formen en una configuración estable, y fuertes interacciones electrónicas que mejoran este efecto.

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Este nuevo material tiene una notable capacidad para detener el movimiento de los electrones, un fenómeno causado por una combinación única de interacciones cuánticas y la estructura geométrica del material. (© juanjo – stock.adobe.com)

«Este es realmente el primer trabajo que muestra no sólo esta cooperación entre la frustración impulsada por la geometría y la interacción, sino también la siguiente etapa, que es llevar el electrón al mismo lugar en la cima de la escalera (de energía), donde hay «Existe una gran oportunidad para reorganizarlos en nuevas fases interesantes y potencialmente activas», dice el coautor del estudio Qimiao Si, físico teórico de Rice.

Las implicaciones de este descubrimiento son de gran alcance, abren nuevas vías para la investigación de cristales de pirocloro y potencialmente conducen a innovaciones en computación cuántica, electrónica y ciencia de materiales.

«Esto es sólo la punta del iceberg», concluye Yee. «Esto es 3D, lo cual es nuevo, y dado que ha habido tantos descubrimientos sorprendentes en la red de Kegome, me imagino que podría haber descubrimientos igual o incluso más emocionantes en el material de pirocloro».

Desarrollado como método predictivo, los investigadores ahora cuentan con una nueva herramienta para identificar materiales donde pueden ocurrir fenómenos similares, lo que promete descubrimientos más interesantes en el ámbito cuántico.

El estudio se publica en la revista. La física de la naturaleza..

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