Cristalul bizar în care electronii nu se pot mișca

Legile cuantice de circulație aplicate în peisajul tridimensional unui anumit tip de cristal pot frâna electronii. Iată cristalul bizar în care electronii nu se pot mișca!

În căutarea de noi materiale care pot conține stări ciudate ale materiei, fizicienii de la Rice University (SUA) au condus un experiment în care au obligat electronii liberi să rămână în loc.

• Cum au trecut razele cosmice prin atmosfera Pământului acum 41.000 de ani?
• Ce s-a întâmplat după ce oamenii de știință au declanșat mini-cutremure în laborator

În timp ce fenomenul a fost observat în materiale în care electronii sunt restricționați doar la două dimensiuni, aceasta este prima dată când fenomenul a fost observat într-un cristal metalic tridimensional, cunoscut sub numele de piroclor. Tehnica le oferă cercetătorilor o nouă unealtă pentru studierea activităților mai puțin convenționale ale particulelor încărcate electric.

„Căutăm materiale în care există stări noi de materie sau caracteristici noi exotice care nu au fost descoperite”, spune fizicianul Ming Yi, de la Rice University.

Așa cum lumina poate fi descrisă în moduri care sunt atât asemănătoare unei unde, cât și unei particule, același lucru este posibil și cu „blocurile de construcție” ale atomilor.

Cristalul bizar în care electronii nu se pot mișca

Comportamentul cuantic asemănător unei unde al electronilor este esențial pentru înțelegerea modului în care își coordonează activitatea în anumite condiții. Răcite corespunzător, undele electronilor își pot uni forțele în acte de împletire care le permit să alunece prin solide ca niște fantome, dând naștere materialelor eficiente energetic numite superconductoare.

Comportamentul electronilor poate fi gestionat și în alte moduri. Aranjarea proporțiilor potrivite ale elementelor duce la intersecții unice care acționează precum semafoarele, reducând ceea ce ar putea fi altfel o aglomerație haotică de pietoni și șoferi la o plimbare lină în ceea ce este descris drept „frustrare geometrică”, explică Science Alert.

Piroclorii sunt minerale complexe cu o structură a formulei care îi face utili pentru o gamă largă de scopuri de cercetare și industriale. Construirea unui astfel de mineral dintr-un amestec de cupru, vanadiu și sulf le-a dat cercetătorilor cristalul bizar în care electronii nu se pot mișca, un metal geometric frustrat care putea canaliza undele electronice în puncte de strângere.

„Acest efect de interferență cuantică este analog cu undele care se propagă pe suprafața unui lac și se întâlnesc frontal. Coliziunea creează o undă staționară care nu se mișcă. În cazul materialelor de tip rețea geometric frustrate, funcțiile undelor electronice interferează distructiv”, spune Yi.

Superconductivitate

O tehnică numită spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție unghiulară i-a permis echipei să măsoare energia și impulsul electronilor în rețeaua tridimensională, demonstrând că unul nu depindea de celălalt, așa cum se întâmplă de obicei.

În acest spațiu neobișnuit cunoscut sub numele de bandă plată, interacțiunile dintre electronii care stau în loc sunt guvernate de un set diferit de reguli care, în teorie, le-ar putea oferi fizicienilor o nouă modalitate de a înțelege fenomenele electromagnetice precum superconductivitatea.

În timp ce electronii localizați în mod similar au fost observați în materiale bidimensionale cunoscute sub numele de rețele Kagome, apariția unei benzi plate din unde interferente care străbat o rețea tridimensională furnizează o demonstrație care ar putea duce la o întreagă nouă clasă de materiale.

„Piroclorul nu este singura opțiune. Aceasta este o nouă regulă de proiectare care le permite teoreticienilor să identifice predictiv materiale în care se nasc benzi plate datorită puternicelor corelații electronice”, spune fizicianul Qimiao Si, de la Rice University.

Cercetarea este publicată în Nature Physics.

Vă recomandăm să citiți și:

Record de conversie a energiei, atins cu celule solare semitransparente

Laserul gravitațional, posibil acum datorită marilor descoperiri ale lui Einstein

Celulele solare pliabile mai subțiri decât hârtia sunt noua creație a cercetătorilor

Cercetătorii au încetinit lumina de 10.000 de ori