На представленной иллюстрации изображена динамическая структура кристаллической решетки соединения CaNi2 (источник: MIT). Группа исследователей из США успешно синтезировала кристалл на основе сплава кальция и никеля, который продемонстрировал весьма нетипичные свойства в виде наличия трехмерной зоны проводимости. Данное явление обусловлено уникальной архитектурой кристаллической решетки, топология которой аналогична японскому плетеному узору «кагоме». Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature. Материалы с плоскими зонами проводимости характеризуются квантовыми состояниями с затухающей кинетической энергией, что зачастую способствует усилению эффектов электронной корреляции и формированию квантовых фаз вещества. Значительный интерес к подобным материалам был вызван их успешной экспериментальной реализацией в квазидвумерных кристаллах и гетероструктурах ван-дер-Ваальса.
Ранее группа ученых из MIT обнаружила, что в металлах с тришестиугольной решеткой кагоме — названной так по аналогии с узором в традиционном японском плетении корзин — тоже возникают плоские запрещенные зоны. Однако ученые обнаружили, что электроны, захваченные в двух измерениях, могут легко покинуть третье измерение, что затрудняет поддержание состояний в плоской зоне.
Теперь Джошуа Уэйкфилд (Joshua P. Wakefield) с коллегами из той же группы из Массачусетского технологического института показали, что в трехмерных кристаллах с решеткой кагоме возникают плоские электронные зоны, в которых электроны могут быть захвачены во всех трех измерениях. Для этого ученые создали кристаллы на основе сплава кальция и никеля, которые содержат структуру решетки пирохлора. Затем физики измерили энергии электронов в этих кристаллах при помощи фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Они обнаружили, что в подавляющем большинстве электроны кристалла обладают одинаковой энергией, что подтверждает наличие плоской зоны у трехмерного материала.
Структура трехмерной кристаллической решетки кагоме. Joshua P. Wakefield et al. / Nature
Однако обнаруженные в этом кристалле электронные полосы оказались значительно ниже уровня Ферми, что уменьшает их возможное влияние на низкоэнергетические свойства вещества. Смещение этих зон ближе к уровню Ферми могло бы привести к нарушениям симметрии с возникновением экзотических фаз. Чтобы проверить возможность манипулирования электронными зонами, физики заменили атомы никеля атомами родия (Rh) и рутения (Ru) при сохранении структуры кристалла. Это действительно сместило электронные зоны ближе к уровню Ферми, что значительно изменило свойства кристалла. В частности, исследователи обнаружили, что кристалл Ca(Rh1—xRux)2 оказался сверхпроводником с критической температурой 6,2 кельвин.
Плоские электронные зоны в кристалле CaNi2. Joshua P. Wakefield et al. / Nature
Ученые отмечают, что дальнейшее изучение и настройка таких структур может пролить свет на взаимодействие электронной корреляции, электрон-фононного взаимодействия и плоскозонных состояний в этом семействе материалов. В частности, это может привести к созданию сверхпроводимости при более высоких температурах. Впрочем, в последнее время создателей сверхпроводников при комнатной температуре преследуют неудачи вплоть до отзыва статей из научных журналов.
Для любознательных: Архитектура невидимых преград: решетка пирохлора
В обычных металлах электроны ведут себя как свободный «океан», хаотично и быстро перемещаясь между атомами. Но в созданном интерметаллиде CaNi2 атомы никеля выстроены в особую трехмерную геометрию — решетку пирохлора (состоящую из соединенных вершинами тетраэдров).
Когда электрон пытается перемещаться по такой структуре, его волновые функции сталкиваются и взаимно уничтожают друг друга. Возникает эффект деструктивной квантовой интерференции: электроны оказываются запертыми внутри атомных петель, полностью теряя кинетическую энергию.
В физике твердого тела это состояние называется плоской электронной зоной. На графиках энергетического спектра, где обычно видны крутые дуги, эта зона выглядит как абсолютно прямая горизонтальная линия. Это означает, что при любом импульсе энергия электронов остается неизменной — они буквально «застревают» в кристаллической матрице.
Мировой прорыв: из 2D в полноценное 3D
До недавнего времени плоские зоны удавалось получать преимущественно в двумерных (2D) материалах. Самым ярким примером был «магический» двухслойный графен, повернутый под углом 1.1″, или слоистые решетки кагоме. Однако удерживать электроны в объеме трехмерного (3D) материала ученым не удавалось из-за неизбежного межслойного взаимодействия.
Сплав CaNi2 (фаза Лавеса C15) стал первым подтвержденным примером истинно трехмерной плоской зоны, зафиксированной экспериментально с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Физикам удалось обнаружить сразу три плоские зоны:
- Одна возникает за счет общей геометрии пирохлора.
- Две дополнительные формируются из-за уникального орбитального перекрытия d-электронов самого никеля.
Что это дает мировой науке?
Когда электроны останавливаются, их «коллективное поведение» начинает подчиняться сильным корреляционным эффектам. Эксперименты уже показали, что направленное химическое легирование (например, замена кальция на родий или другие элементы) позволяет сдвигать плоскую зону прямо к уровню Ферми.
Это приводит к мгновенному проявлению экзотических квантовых состояний:
- Высокотемпературная сверхпроводимость без необходимости колоссального внешнего давления.
- Топологический магнетизм в материалах, не содержащих классических магнитных элементов.
- Дробный квантовый эффект Холла в макроскопических трехмерных кристаллах.
Ситуация в России и мире: ландшафт исследований
Подобные исследования ведутся на стыке передовой кристаллографии, квантовой физики и материаловедения.
- В мире: Основными центрами прорыва выступают Массачусетский технологический институт (MIT), Аргоннская национальная лаборатория (США), Принстон и синхротронные центры в Европе и Японии. Именно они координируют синтез интерметаллических фаз Лавеса и их тончайшее сканирование пучками рентгеновского излучения.
- В России: Российская академическая наука удерживает сильные позиции в области теоретического предсказания таких структур и их математического моделирования. Физики из ИФМ УрО РАН, Института кристаллографии РАН и МФТИ активно работают над квантово-химическими расчетами сильно коррелированных электронных систем и топологических полуметаллов. Мощная школа синтеза монокристаллов и сплавов в стране позволяет создавать уникальные интерметаллические матрицы, а для их изучения используются возможности синхротрона «КИСИ-Курчатов» и строящегося сибирского мегасайенс-проекта СКИФ.
Автор: Дмитрий Рудик
Источник: https://nplus1.ru/
