8 دقیقه
باندهای الکترونی تخت فعال به‌صورت مستقیم در یک ابررسانای کاگومه مشاهده شده‌اند که یک پیش‌بینی نظری دیرینه را تایید کرده و راه‌های جدیدی برای طراحی مواد کوانتومی برای الکترونیک آینده و دستگاه‌های کوانتومی باز میکند. پژوهشگران دانشگاه رايس و مؤسسات همکار شواهد تجربی ارائه می‌دهند که حالتهای الکترونی فشرده و کم‌پراکندگی—که به آنها باندهای تخت گفته میشود—در مادۀ کاگومه مبتنی بر کروم، CsCr3Sb5، به‌طور فعال هر دو رفتار ابررسانایی و مغناطیسی را شکل می‌دهند. این مطالعه در 14 اوت در Nature Communications منتشر شد.
این کشف مفهوم انتزاعی باندهای تخت را به آزمایشگاه وارد میکند و آن را به عنصری عملی برای طراحی ابررساناها، فازهای توپولوژیک و سامانه‌های الکترونیکی مبتنی بر اسپین تبدیل میسازد. این یافته برای فیزیک ماده چگال، علم مواد و میدان نوظهور فناوریهای کوانتومی اهمیت زیادی دارد، زیرا هندسۀ شبکه را به حالات الکترونی نوظهور پیوند میدهد به‌طوری که قابل اندازه‌گیری و قابل کنترل است.
زمینه علمی: باندهای تخت چه هستند و چرا شبکه‌های کاگومه مهم‌اند
باندهای تخت، باندهای انرژی در یک بلورند که در آن انرژی الکترون با تکانه بسیار کم تغییر میکند و در نتیجه چگالی حالات الکترونی بسیار بالایی در محدودهٔ انرژی باریکی ایجاد میشود. چون انرژی جنبشی در باندهای تخت عملاً کاهش می‌یابد، اثرات برهم‌کنش الکترون-الکترون و همبستگی میتواند غالب شود و ممکن است ابررسانایی نامتعارف، مغناطیس یا حالتهای عایق همبسته را ایجاد کند. در بسیاری از مواد، باندهای تخت دور از سطح فرمی قرار دارند و بنابراین از نظر الکترونیکی غیرفعال می‌مانند. پیشرفت حساس گزارش‌شده این است که در CsCr3Sb5 این باندهای تخت فعال هستند؛ به این معنا که با سطح فرمی جفت میشوند و نقش حیاتی در رفتار الکترونیکی و مغناطیسی کم‌انرژی ماده ایفا میکنند.
شبکهٔ کاگومه، شبکه‌ای دو‌بعدی از مثلثهای به‌هم‌پیوسته در گوشهها است. این نام از نقشۀ سنتی بافت سبد ژاپنی گرفته شده و مدت‌هاست مورد توجه است زیرا هندسه‌اش میتواند ویژگی‌های الکترونی غیرمعمولی از جمله مخروط‌های دیراک، ساختارهای باند توپولوژیک و باندهای تخت را تولید کند. این هندسه میتواند اوربیتالهای مولکولی فشرده یا الگوهای ایستای الکترونی را که به‌وسیله تداخل مخرب محصور شده‌اند، پشتیبانی کند؛ زمانی که این اوربیتالهای فشرده نزدیک انرژی فرمی قرار گیرند، اثرات همبستگی قوی میتواند باندهای در اصل غیرفعال را به موتورهای فازهای کوانتومی نوظهور تبدیل کند.
آزمایش و روش‌ها: تیم چگونه باندهای تخت فعال را تشخیص داد
تیم به سرپرستی رايس دو تکنیک مکمل مبتنیبر سینکروترون را بههمراه مدلسازی نظری ترکیب کرد تا تصویری همگرا و با وضوح بالا از اغتشاشات الکترونیکی و مغناطیسی در CsCr3Sb5 بسازد.
- Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES): از ARPES برای نگاشت ساختار الکترونی حل‌شده بر حسب تکانه استفاده شد، با شناسایی الکترون‌هایی که تحت تابش سینکروترون از نمونه گسیل میشوند. نقشه‌های ARPES ویژگی‌های طیفی‌ای را نشان دادند که با اوربیتالهای مولکولی فشرده و با پتانسسیل پخش باندی که نشانه‌های باندهای الکترونی تقریباً تخت و نزدیک به سطح فرمی است، سازگار بود.
- Resonant Inelastic X-Ray Scattering (RIXS): RIXS ابزاری حساس برای کاوش اغتشاشات مغناطیسی و اثرات همبستگی الکترونی فراهم کرد. اندازه‌گیری‌ها پاسخهای مغناطیسی‌ای را آشکار کرد که با همان حالتهای الکترونیکی شناسایی‌شده در ARPES مرتبط بودند و نشان دادند این حالتهای مشتق‌شده از باند تخت به‌طور فعال در رفتار مغناطیسی ماده مشارکت دارند.
این نتایج تجربی با یک مدل شبکه‌ای نظری ویژه که هم‌بستگی‌های قوی الکترونی را وارد می‌کرد، تفسیر شد. مدل توانست ویژگی‌های کلیدی مشاهده‌شده در هر دو ARPES و RIXS را بازتولید کند و از این نتیجه پشتیبانی نماید که برهم‌کنش‌های الکترون-الکترون فعالیت باندهای تخت در CsCr3Sb5 را تقویت میکند. کار نظری، به سرپرستی یک پژوهشگر جوان عضو آکادمی رایس، روشن میسازد چگونه هندسۀ شبکه، کاراکتر اوربیتال و اثرات همبستگی با هم ترکیب میشوند تا فیزیک باند تخت فعال را تولید کنند.
نمونه‌های با کیفیت بالا ضروری بودند. تیم بلورهای تک‌بلوری فوق‌العاده بزرگ و خالص CsCr3Sb5 را با یک تکنیک رشد پالایش‌شده سنتز کرد که بلورها را تقریباً 100 برابر بزرگ‌تر از تلاش‌های قبلی تولید نمود. بلورهای بزرگ‌تر امکان نگاشت طیف‌سنجی دقیق‌تر و بهبود نسبت سیگنال به نویز در آزمایش‌های ARPES و RIXS را فراهم کرد.
کشف‌های کلیدی و پیامدها برای مواد کوانتومی و الکترونیک
نتیجهٔ اصلی، اثبات تجربی این است که باندهای تخت در یک ابررسانای کاگومه می‌توانند از نظر الکترونیکی فعال باشند و بنابراین به‌طور مستقیم بر ابررسانایی و مغناطیس اثر بگذارند. در CsCr3Sb5، این حالتهای اوربیتالی مولکولی فشرده تماشاگران غیرفعال نیستند؛ بلکه با الکترون‌های حرکت‌پذیر تعامل دارند و به نظم کوانتومی نوظهور کمک میکنند.
این یافته چندین پیامد مهم دارد:
- اصل طراحی برای مواد کوانتومی: پیوند میان هندسۀ شبکهٔ کاگومه و باندهای تخت فعال مسیر عملی‌ای را برای مهندسی فازهای الکترونیکی همبسته از طریق شیمی و ساختار کنترل‌شده پیشنهاد میدهد. با تنظیم ترکیب شیمیایی، فشار یا کرنش، پژوهشگران می‌توانند باندهای تخت را وارد یا خارج از پنجرهٔ انرژی فعال کنند تا رفتار همبسته را روشن، خاموش یا تقویت نمایند.
- راههایی به‌سوی ابررسانایی نوآورانه و حالتهای توپولوژیک: باندهای تخت فعال بستر امیدوارکننده‌ای برای ابررسانایی نامتعارف هستند، از جمله جفت‌شدگی‌هایی که توسط همبستگی الکترونی رانده میشوند تا مکانیزم‌های معمول مبتنیبر فونون. آنها همچنین مسیرهایی برای تحقق رساناهای توپولوژیک همبسته فراهم میکنند، وقتی که اندرکنش‌های اسپین-مدار و توپولوژی باند به‌طور مناسب ترکیب شوند.
- اسپینترونیکس و مواد محاسبات کوانتومی: اغتشاشات مغناطیسی که با الکترون‌های باند تخت جفت شده‌اند می‌توانند برای پردازش اطلاعات مبتنی بر اسپین به‌کار روند. توانایی طراحی مواد با قدرت همبستگی الکترونی و نظم مغناطیسی قابل تنظیم، جعبه‌ابزاری را برای مواد اطلاعات کوانتومی گسترش میدهد.
فیزیکدانان رایس که کار را هدایت کردند تأکید کردند که این نتیجه ایده‌های نظری را که پیش‌تر تنها با محاسبات در دسترس بود، تأیید میکند. یکی از محققان ارشد این نتیجه را به‌عنوان تاییدی بر یک پیش‌بینی نظری شگفت‌آور و نقشه‌راهی برای مهندسی ابررسانایی عجیب با کنترل شیمیایی و ساختاری توصیف کرد. دیگری اشاره کرد که شناسایی باندهای تخت فعال نشان‌دهندۀ پیوند مستقیم میان هندسۀ شبکه و حالات کوانتومی نوظهور است.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا راموس، یک فیزیکدان ساختاری فرضی که سامانه‌های الکترونی همبسته را مطالعه میکند، اظهار داشت: 'این نوع نتیجه است که یک الگوی نظری را به یک اهرم عملی تبدیل میکند. باندهای تخت اغلب کنجکاوی نظری بودند؛ نشان‌دادن اینکه آنها می‌توانند در یک مادۀ واقعی فعال باشند یعنی آزمایشگران می‌توانند هنگام طراحی ابررساناها یا فازهای توپولوژیک آنها را هدف‌گذاری کنند. ترکیب ARPES، RIXS و مدلسازی هدفمند نتیجه را متقاعدکننده میسازد.'
جهت‌‌گیری‌های آینده و فناوریهای مرتبط
کارهای پیگیری بررسی خواهند کرد چگونه پارامترهای خارجی—فشار، جانشینی شیمیایی، کرنش و میدان‌های الکتریکی—موقعیت و فعالیت باندهای تخت را در سامانه‌های کاگومه تغییر می‌دهند. CsCr3Sb5 تحت فشار ابررسانا میشود، که خود نشان میدهد کنترل‌های خارجی نسبتاً معتدل می‌توانند فازهای جدیدی را در دسترس قرار دهند. تحقیقات آینده به هدف‌های زیر خواهد پرداخت: نگاشت تقارن شکاف ابررسانی و مکانیزم جفت‌شدگی؛ تعیین اینکه آیا ابررسانایی ناشی از باند تخت میتواند با حالتهای سطحی توپولوژیک همزیستی کند یا آنها را تقویت نماید؛ و یکپارچه‌سازی مواد باند تخت در ساختارهای چندلایه که اثرات مجاورت ممکن است دستگاه‌های کوانتومی مهندسی‌شده تولید کنند.
فراتر از علم بنیادی، توانایی طراحی مواد با باندهای تخت فعال میتواند پیشرفت در اسپینترونیکس، الکترونیک با اتلاف پایین و اجزای محاسبات کوانتومی را تسریع کند. در دستگاه‌های اسپین‌ترونیک، اغتشاشات مغناطیسی همبسته‌ای که از طریق طراحی شبکه قابل تنظیم‌اند ممکن است راه‌های کارآمدی برای دستکاری جریان‌های اسپین فراهم کنند. در محاسبات کوانتومی، بسترهای باند تخت می‌توانند میزبان کیوبیت‌های همبسته یا حالتهای مهندسی‌شدۀ ماجرانا باشند وقتی با لایه‌های ابررسانا یا لایه‌های دارای کوپلینگ اسپین-مدار مناسب ترکیب شوند.
نتیجه‌گیری
نمایش تجربی باندهای تخت فعال در ابررسانای کاگومه CsCr3Sb5 یک نقطهٔ عطف در تحقیقات مواد کوانتومی است. با نشان‌دادن اینکه اوربیتالهای فشرده القاشده توسط هندسه می‌توانند مستقیماً با اغتشاشات الکترونیکی و مغناطیسی کم‌انرژی جفت شوند، این کار یک اصل طراحی مشخص برای مهندسی ابررساناهای همبسته، فازهای توپولوژیک و سامانه‌های الکترونیکی مبتنی بر اسپین فراهم می‌آورد. ترکیب بلورهای بزرگ و با کیفیت بالا، ARPES، RIXS و مدلسازی نظری هدفمند تصویری منسجم ارائه داد که باندهای تخت را از سازه‌های نظری به ابزارهای عملی تبدیل میکند. با گسترش کنترل پارامترهایی مانند فشار، ترکیب شیمیایی و کرنش، مهندسی باند تخت میتواند به استراتژی مرکزی در جستجوی مواد و دستگاه‌های کوانتومی نسل بعد تبدیل شود.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات