Découvrir des États de Voisinage Cachés dans un Matériau Quantique
Les matériaux quantiques présentent des actions uniques résultant de la mécanique automobile quantique, ou comment le problème agit à l’échelle minuscule des atomes et des particules subatomiques. Les propriétés technologiquement pertinentes des matériaux quantiques résultent d’interactions complexes de charge électronique, d’orbite et de rotation, et elles sont combinées à la structure cristalline du matériau. Par exemple, dans certains produits, les électrons peuvent se déplacer ouvertement sans résistance ; cette sensation, appelée supraconductivité, pourrait être mise à profit pour transmettre la puissance plus efficacement. En règle générale, ces propriétés résidentielles ou commerciales apparaissent à des niveaux de température réduits, où les cristaux présentent une proportion architecturale réduite (cassé).
” Ce qui n’est pas remarquable, ce régime à basse température fait l’objet de nombreuses recherches “, a déclaré Emil Bozin, physicien de l’équipe de diffusion des rayons X du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) du département américain de l’énergie (DOE) Brookhaven. Laboratoire national. “Pendant ce temps, la routine à haute température reste principalement inconnue, car elle est liée à un équilibre raisonnablement élevé, ce qui est considéré comme ennuyeux.”
Cependant, Bozin et ses collègues ont récemment découvert des états d’équilibre régional préjudiciables à la chaleur. Ces états régionaux sont associés à des orbitales numériques (zones à l’intérieur d’un atome où se trouvent probablement des électrons) qui agissent comme des « précurseurs » de l’élévation de la dépravation orbitale (ODL) à ce qui se passe au niveau des basses températures. La dégénérescence orbitale fait référence au moment où les orbitales ont la même énergie. Augmenter cette dépravation suggère que certaines orbitales auront certainement une puissance relativement plus grande et d’autres une énergie plus faible.
“Nous pensons que de tels états de voisinage restent dans certaines méthodes des catalyseurs des propriétés matérielles de la passion qui émergent à un niveau de température beaucoup plus bas”, a expliqué Bozin.
Les chercheurs ont observé ces états locaux pour la première fois en 2019 dans un matériau (sulfure de cuivre et d’iridium) avec une transition métal-isolant ainsi que dans un supraconducteur à base de fer. Le groupe représentant Brookhaven Lab; le laboratoire national d’Oak Ridge du DOE ; Université du Tennessee, Knoxville; et Columbia College les a découverts dans un isolant comprenant du sel, du titane, du silicium et de l’oxygène. Ce matériau isolant est l’un des minéraux constituant le manteau supérieur de la Terre. Au-delà de la passion géologique, c’est un candidat pour les fluides de spin quantiques (QSL), un problème exotique dans lequel les spins des électrons restent fluides aux niveaux de température les plus raisonnables, en constante évolution. Les QSL pourraient fournir une plate-forme matérielle pour un ordinateur quantique, la spintronique (électronique basée sur le spin des électrons plutôt que sur les frais), la supraconductivité et d’autres innovations.
“Nos recherches pour recommander que ces habitudes de précurseur ODL à haute température puissent être assez courantes et doivent également être prises en compte dans les recherches universitaires pour comprendre les maisons pratiques des matériaux quantiques”, a déclaré le physicien Weiguo Yin du groupe de théorie de la matière condensée du département CMPMS.
Pour sonder la structure atomique du matériau, le groupe a évalué comment le matériau diffusait les neutrons ainsi que les rayons X. Les deux sondes sont nécessaires en raison de leurs différents niveaux de sensibilité à des composants spécifiques en fonction du poids atomique. Contrairement aux rayons X, les neutrons peuvent identifier les éléments légers, comme l’oxygène. Avec les schémas de diffusion des neutrons et des rayons X, l’arrangement de voisinage des atomes peut être raisonné à l’aide de la fonction de circulation de l’ensemble atomique (PDF), qui décrit les plages entre divers atomes dans un exemple. À l’aide d’un logiciel, les chercheurs peuvent ensuite découvrir le modèle architectural qui correspond le mieux à la fonction PDF atomique expérimentale.
Leur analyse a révélé des marques d’équilibre régional endommageant beaucoup plus la température à laquelle le matériau entreprend une transition structurelle pour créer des dimères de titane (deux molécules liées ensemble). Lorsque le matériau est réchauffé, ces dimères semblent disparaître, mais en réalité, ils restent, évoluant vers un état ODL jumeau.
“L’état à haute température et à haute symétrie cristallographique suppose la présence d’une dégénérescence orbitale, mais la dépravation orbitale pourrait ne pas être vigoureusement bénéfique”, a déclaré Bozin. « Comme nous le voyons ici, les dimères sont remplacés, et ce qui reste est un cadre cristallin mal formé dans votre région. Cette distorsion lève la dépravation de 2 orbitales et permet au système d’entrer dans un état d’énergie inférieure.
Ensuite, le groupe prévoit d’adapter les propriétés résidentielles orbitales à ce matériau, par exemple en remplaçant le titane par du ruthénium, qui transformera sans aucun doute la matière électronique et devrait fournir une bien meilleure QSL. Ils verront certainement aussi si les précurseurs ODL existent dans d’autres produits et comment ils sont liés aux sensations du taux d’intérêt, comme la supraconductivité. En particulier, ils aimeraient découvrir des systèmes avec différents niveaux de couplage spin-orbite, ce qui est un système différent pour l’ODL.
“L’exploration de ces précurseurs orbitaux nous aide à mieux comprendre les concurrents entre divers états quantiques à basse température, une compréhension qui nous permettra de changer les règles du jeu pour obtenir des produits avec les bâtiments à basse température souhaités”, a déclaré Simon Billinge, physicien. Dans l’équipe de diffusion des rayons X du département CMPMS ainsi que professeur de recherche scientifique et d’ingénierie des matériaux ainsi que de physique utilisée et de mathématiques à l’Université de Columbia.
Lire l’article original sur Brookhaven National Laboratory.
Référence: R. J. Koch et al, Dual Orbital Degeneracy Lifting in a Strongly Correlated Electron System, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.186402
