Científicos de la Universidad Rice han descubierto un material único en su tipo, un metal cristalino tridimensional en el que las correlaciones cuánticas y la geometría de la estructura cristalina se combinan para frustrar el movimiento de los electrones y bloquearlos en su lugar.
El hallazgo se detalla en un estudio publicado en Nature Physics . El artículo también describe el principio de diseño teórico y la metodología experimental que guiaron al equipo de investigación hasta el material. Una parte de cobre, dos partes de vanadio y cuatro partes de azufre, la aleación presenta una red de pirocloro 3D que consta de tetraedros que comparten esquinas.
"Buscamos materiales en los que existan estados potencialmente nuevos de la materia o nuevas características exóticas que no se han descubierto", dijo el coautor correspondiente del estudio, Ming Yi, físico experimental de Rice.
Los materiales cuánticos son un lugar probable para buscar, especialmente si albergan fuertes interacciones electrónicas que dan lugar al entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento conduce a comportamientos electrónicos extraños, incluida la frustración del movimiento de los electrones hasta el punto en que quedan bloqueados en su lugar.
"Este efecto de interferencia cuántica es análogo a las ondas que se propagan por la superficie de un estanque y se encuentran de frente", dijo Yi. "La colisión crea una onda estacionaria que no se mueve. En el caso de materiales reticulares geométricamente frustrados, son las funciones de onda electrónica las que interfieren destructivamente."
La localización de electrones en metales y semimetales produce bandas electrónicas planas o bandas planas. En los últimos años, los físicos han descubierto que la disposición geométrica de los átomos en algunos cristales bidimensionales, como las redes de Kagome, también puede producir bandas planas. El nuevo estudio proporciona evidencia empírica del efecto en un material 3D.
Utilizando una técnica experimental llamada espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, o ARPES, Yi y la autora principal del estudio, Jianwei Huang, investigadora postdoctoral en su laboratorio, detallaron la estructura de bandas del material de cobre, vanadio y azufre y descubrieron que albergaba una banda plana que es único en varios sentidos.
"Resulta que ambos tipos de física son importantes en este material", dijo Yi. "El aspecto de la frustración geométrica estaba ahí, tal como lo predijo la teoría. La agradable sorpresa fue que también hubo efectos de correlación que produjeron la banda plana en el nivel de Fermi, donde puede participar activamente en la determinación de las propiedades físicas."
En la materia en estado sólido, los electrones ocupan estados cuánticos que se dividen en bandas. Estas bandas electrónicas pueden imaginarse como peldaños de una escalera, y la repulsión electrostática limita el número de electrones que pueden ocupar cada peldaño. El nivel de Fermi, una propiedad inherente de los materiales y crucial para determinar su estructura de bandas, se refiere al nivel de energía de la posición ocupada más alta en la escalera.
El físico teórico de Rice y coautor del estudio, Qimiao Si, cuyo grupo de investigación identificó la aleación de cobre-vanadio y su estructura cristalina de pirocloro como un posible anfitrión de los efectos de frustración combinados de la geometría y las fuertes interacciones de electrones, comparó el descubrimiento con el descubrimiento de un nuevo continente. .
"Es el primer trabajo que realmente muestra no sólo esta cooperación entre la frustración impulsada por la geometría y la interacción, sino también la siguiente etapa, que consiste en lograr que los electrones estén en el mismo espacio en la parte superior de la escalera (de energía), donde hay una posibilidad máxima de reorganizarse en nuevas fases interesantes y potencialmente funcionales", afirmó Si.
Dijo que la metodología predictiva o principio de diseño que su grupo de investigación utilizó en el estudio también puede resultar útil para los teóricos que estudian materiales cuánticos con otras estructuras de red cristalina.
"El pirocloro no es el único juego que existe", dijo Si. "Se trata de un nuevo principio de diseño que permite a los teóricos identificar de forma predictiva materiales en los que surgen bandas planas debido a fuertes correlaciones electrónicas".
Yi explicó que también hay mucho espacio para una mayor exploración experimental de cristales de pirocloro.
"Esto es sólo la punta del iceberg", afirmó. "Esto es 3D, lo cual es nuevo, y teniendo en cuenta la cantidad de hallazgos sorprendentes que ha habido en las redes de Kagome, imagino que podría haber descubrimientos igual o incluso más emocionantes en los materiales de pirocloro".
El equipo de investigación incluyó a 10 investigadores de Rice de cuatro laboratorios. El grupo de investigación del físico Pengcheng Dai produjo muchas muestras necesarias para la verificación experimental, y el grupo de investigación de Boris Yakobson en el Departamento de Ciencia de Materiales y NanoIngeniería realizó cálculos de primer principio que cuantificaron los efectos de banda plana producidos por la frustración geométrica.
Los experimentos ARPES se llevaron a cabo en Rice y en la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón Stanford del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en California y en la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York, y el equipo incluyó colaboradores de SLAC, Brookhaven y la Universidad de Washington.
Más información: Jianwei Huang et al, Comportamiento de líquidos no Fermi en una red de pirocloro de banda plana correlacionada, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02362-3
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
