Обычно электроны свободно перемещаются по проводящим материалам, взаимодействуя друг с другом, но не завися от движения своих соратников в решетке. Однако в новом исследовании, опубликованном в журнале «Природа», ученые продемонстрировали, как им удалось запечатлеть электроны в чистом кристалле.
После принуждения электронов оставаться в одном и том же энергетическом состоянии они начинают вести себя так, будто они один организм. Это особое состояние, известное как «плоская полоса электронов», считается результатом электронов, которые «ощущают» квантовые эффекты других электронов в кристалле.
Кристалл был специально синтезирован так, чтобы его структура напоминала жгутовые узоры, подобные тем, которые используются в японском ремесле плетения корзин, называемом «Kagome».
Теперь, когда мы научились создавать плоские полосы с использованием этой геометрии, у нас возникает большой интерес к изучению других структур, которые могут обладать новой физикой и стать платформой для новых технологий
— автор исследования, доцент физики в MIT Джозеф Чечельский.
В последние годы физикам удавалось захватить электроны в двумерных материалах, но эти электроны часто уходят в третье измерение, что создает сложности в поддержании состояний плоской полосы в трехмерном пространстве.
Для своего исследования команда ученых использовала взаимосвязанные треугольные и шестиугольные двумерные решетки, чтобы синтезировать Kagome-подобную структуру в трехмерном пространстве. В основе кристалла использовался высокосимметричный минерал, называемый пирохлор.
Мы соединяли определенные элементы — кальций и никель — и плавили их при очень высоких температурах, а затем охлаждали. При этом атомы самоорганизовались в Kagome-подобную структуру
— Джозеф Чечельский.
Однако из-за прочности поверхности кристалла было сложно исследовать его ближе для понимания того, что происходит в определенных местах. Для обхода этой проблемы исследователи использовали спектроскопию фотоэмиссии с высоким разрешением угла. Этот метод позволяет использовать ультрафокусированный луч света для изучения определенных мест кристалла и измерения энергий отдельных электронов.
В результате исследования было обнаружено, что замена никеля на родий и рутений действительно сдвигает плоскую полосу электронов к нулевой энергии, что означает наличие сверхпроводимости. Исследователи полагают, что это открывает новую парадигму для поиска новых и интересных квантовых материалов. Они надеются оптимизировать эти материалы для достижения сверхпроводимости при более высоких температурах.
