Elektronlar ilk kez 3 boyutlu bir kristalde hapsedildi

Araştırmacılar ilk kez elektronları bir 3 boyutlu kristalde yakalamayı başardılar; bu, elektronların süperiletkenliği de içeren elektronik ‘düz bant’ olarak adlandırılan bir durumdayken ürettiği kuantum etkileriyle uğraşmaya başlamalarına olanak tanıyan bir atılımdır. . .

Üç boyutlu bir malzeme içinde hareket eden bir elektron, atomlarının kafesi ile farklı bir şekilde etkileşime girer, dolayısıyla bir elektronun kinetik enerjisi genellikle aralık veya aralık cinsinden tanımlanır. Elektronun bandı düzse bu, bandın sıfır olduğu ve enerjisinin kafesle etkileşiminden bağımsız olduğu anlamına gelir. Basitçe söylemek gerekirse bu elektronun hızı sıfırdır ve belli bir yerde sıkışıp kalmıştır.

Bir elektron düz banttayken, konumunu çevreleyen atomların elektronlarıyla hâlâ etkileşim halindedir. Bu etkileşimler, elektron malzemenin içine doğru hareket ettiğinde ihmal edilemeyecek kadar az enerjiye sahiptir, ancak elektron yerinde sıkışıp kaldığında aniden önemli hale gelir. Süperiletkenlik ve diğer ilginç elektromanyetik özellikler gibi egzotik kuantum özellikleri belirginleşiyor.

Yeni çalışmada araştırmacılar, bir elektronu üç boyutta da yakalayan düz, 3 boyutlu bir şerit oluşturmanın mümkün olduğunu gösteriyor. Geleneksel Japon sepet dokuma sanatında kullanılan Kagome şeklinde 3 boyutlu bir ağ kullandılar. Benzer 2 boyutlu kafesler zaten düz bantlı elektronları gösteriyordu, bu nedenle ekip bunun başarılı bir şekilde 3 boyutlu bir kafes oluşturmanın bir yolu olduğunu düşündü.

Fizik profesörü yardımcısı Joseph Chekelsky, “Artık bu geometriden düz bir şerit oluşturabileceğimizi bildiğimize göre, yeni teknolojiler için bir platform olabilecek diğer yeni fizikleri içerebilecek diğer yapıları incelemek için büyük motivasyonumuz var” dedi. UCLA’da. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, bir konuşmasında şunları söyledi: ifade.

Kimyasal modifikasyon yoluyla sistem bir süper iletkene dönüştürüldü. Bu, elektronların direnç olmadan aktığı bir malzemedir. Ekip, kristali yapmak için laboratuvarda piroklor kristalleri üretti.

Chekelski, “Doğanın kristal yapma şeklinden farklı değil” diye açıkladı. “Belirli elementleri (bu durumda kalsiyum ve nikel) bir araya getiriyoruz ve onları çok yüksek sıcaklıklarda eritiyoruz, sonra soğutuyoruz ve atomlar bu kagome benzeri kristal formasyonda kendi başlarına düzenleniyor.”

Rodyum ve rutenyum atomlarının nikelle değiştirilmesi aynı geometrik konfigürasyonu oluşturur ancak düz bant değerini sıfır enerjiye (sadece sıfır hıza değil) iter ve süperiletkenliğin oluştuğu yer burasıdır.

Fizik profesörü ve ortak yazar Ricardo Comin, “Bu, yeni ve ilginç kuantum malzemelerinin nasıl bulunacağı konusunda düşünmek için yeni bir paradigma sunuyor” diye ekledi. “Elektronları yakalayabilen bu atomik düzenlemenin bu özel bileşeniyle, her zaman bu düz bantları bulduğumuzu gösterdik. Bu sadece bir tesadüf değil. İleriye yönelik zorluk, düz bantlı malzemelerin vaadini gerçekleştirmek için performansı artırmaktır. ve belki de Yüksek sıcaklıklarda süperiletkenliği korumak için.

Bu veya diğer kristaller bir gün ultra verimli güç hatları oluşturmak, güçlü kuantum bilgisayarlar ve hatta daha hızlı elektronik cihazlar oluşturmak için optimize edilebilir.

Çalışma dergide yayınlandı doğa.