Cercetătorii de la MIT au reușit „să prindă” electroni în cristal 3D

Cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT, din SUA) au reușit să prindă electroni în cristal 3D pentru prima dată. Această lucrare deschide calea pentru crearea de materiale superconductoare cu ajustări minore ale structurilor chimice ale cristalului 3D.

În interiorul unui conductor, electronii se mișcă odată cu energiile lor. Atunci când sunt captivi, stările lor de energie se stabilizează la aceleași nivele, iar ei încep să se comporte ca unul singur. Fizicienii numesc această stare o bandă electronică plată și sugerează că, în această stare, electronii pot începe să simtă efectele cuantice ale altor electroni. Din această stare derivă comportamente precum superconductivitatea, adică mișcarea electronilor fără rezistență, explică Interesting Engineering.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Fizicienii au încercat anterior să capteze electroni în materiale bidimensionale. Cu toate acestea, aceste încercări au eșuat adesea deoarece electronii captivi s-au deplasat printr-o a treia dimensiune, îngreunând menținerea stărilor de bandă plată.

Cercetătorii au capturat electroni în cristal 3D

O echipă de cercetare condusă de Joseph Checkelsky, profesor asociat de fizică la MIT, a sugerat că realizarea stărilor de bandă plată ar fi mai accesibilă cu electroni în cristal 3D, deoarece electronii ar fi captivi în toate cele trei dimensiuni.

Lucrările anterioare ale lui Checkelsky au arătat că electronii captivi în materiale 2D semănau cu modelele de kagome, arta japoneză a împletiturii de coșuri. Atomii materialului erau aranjați în triunghiuri care își împărtășeau colțurile, iar electronii rămâneau închiși în acestea dar puteau scăpa printr-o a treia dimensiune.

Prin urmare, o configurație 3D ar putea împiedica evadarea electronilor și ar ajuta la atingerea stărilor de bandă plată.

Echipa MIT a căutat materiale care ar putea fi folosite pentru a crea rețele 3D în modele kagome și a descoperit piroclorul, un mineral cu aranjamente atomice extrem de simetrice. În 3D, atomii piroclorului formau un model repetitiv din cuburi aranjate într-o rețea asemănătoare cu kagome.

Pentru a testa ipoteza, echipa a sintetizat piroclorul folosind calciu și nichel. După încălzirea ingredientelor la temperaturi foarte ridicate, amestecul a fost răcit, iar atomii s-au aranjat într-o structură asemănătoare cu kagome.

O nouă abordare

Pentru a verifica dacă electronii se aflau acum în benzi plate, echipa a efectuat experimente de fotoemisie, în care o singură particulă de lumină a fost îndreptată spre probă pentru a arunca afară un singur electron, iar un detector a măsurat energia acestuia.

Experimentele anterioare de fotoemisie au fost efectuate pe materiale 2D, dar deoarece echipa lucra cu un material 3D, a trebuit să măsoare energia electronilor pe un peisaj 3D ondulat.

Pentru a rezolva această problemă, echipa a utilizat o abordare de spectroscopie de fotoemisie rezolvată în unghi (ARPES). Un fascicul ultra-focalizat de lumină a vizat locații specifice pe suprafața 3D inegală, iar măsurători ale miilor de electroni au fost făcute timp de aproximativ jumătate de oră. Experimentele au arătat că electronii aveau aceeași energie, confirmând că au atins o stare de bandă plată.

În experimente ulterioare, nichelul a fost înlocuit cu rodium și ruteniu. Cercetătorii calculaseră că acest lucru ar păstra geometria cristalului, dar ar muta energia electronilor la zero, conducând la superconductivitate. Cristalul nou sintetizat a demonstrat acest comportament, așa cum se aștepta echipa.

„Acest lucru prezintă o nouă paradigmă pentru a gândi cum să găsim materiale cuantice noi și interesante. De acum înainte, provocarea este să optimizăm totul pentru a atinge promisiunea materialelor cu benzi plate, potențial pentru a susține superconductivitatea la temperaturi mai ridicate”, a declarat Riccardo Comin, profesor de fizică și coleg al lui Checkelsky în această cercetare.

Rezultatele cercetării au fost publicate în revista Nature.

Vă recomandăm să citiți și:

Spermatozoizii umani încalcă a treia lege a lui Newton, au descoperit cercetătorii

O nouă eră a științei! Cel mai puternic laser cu raze X din lume a fost pornit

Un nou material ar putea reconecta nervii secționați

O nouă rețetă pentru reciclarea ecologică a bateriilor