Τα ηλεκτρόνια παίρνουν νέο σχήμα μέσα σε ένα μη συμβατικό μέταλλο

Ένα από τα μεγάλα επιτεύγματα της κβαντικής φυσικής ήταν η αναδιατύπωση της άποψής μας για το άτομο. Το εξωτερικό ήταν το μοντέλο των αρχών του 20ου αιώνα ενός ηλιακού συστήματος σε μικρογραφία, με ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω από έναν συμπαγή πυρήνα. Αντίθετα, η κβαντική φυσική έχει δείξει ότι τα ηλεκτρόνια ζουν πιο ενδιαφέρουσες ζωές, κάνοντας ζιγκ-ζαγκ γύρω από τον πυρήνα σε σύννεφα που μοιάζουν με μικρά μπαλόνια. Γνωστά ως ατομικά τροχιακά, αυτά τα μπαλόνια έχουν κάθε λογής διαφορετικά σχήματα – τέλεια κυκλικά, με διπλό λοβό, σε σχήμα φύλλων τριφυλλιού. Ο αριθμός των λοβών στο μπαλόνι δείχνει πόσο το ηλεκτρόνιο περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα.

Όλα αυτά είναι καλά και καλά για το άτομο άτομαΑλλά όταν τα άτομα ενώνονται για να σχηματίσουν κάτι στερεό – όπως ένα κομμάτι μετάλλου, για παράδειγμα – τα πιο εξωτερικά ηλεκτρόνια στα άτομα μπορούν να συνδέσουν τους βραχίονες και να χάσουν την οπτική τους επαφή με τον πυρήνα από τον οποίο ήρθαν, σχηματίζοντας πολλά τεράστια μπαλόνια που απλώνονται σε ολόκληρο το κομμάτι του μέταλλο. Σταματήστε να γυρίζετε πυρήνες και ρέουν μέσα από το μέταλλο για να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα, απορρίπτοντας την ποικιλία μπαλονιών με πολλούς λοβούς.

Τώρα, ερευνητές στο Κέντρο Κβαντικών Υλικών (QMC) στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ (UMD), σε συνεργασία με θεωρητικούς στο Κέντρο Θεωρίας Συμπυκνωμένης Ύλης (CMTC) και στο Κοινό Κβαντικό Ινστιτούτο (JQI), παρήγαγαν τα πρώτα πειραματικά στοιχεία για η ύπαρξη ενός μόνο μετάλλου — και πιθανότατα έχει. Άλλα στην κατηγορία τους είναι ηλεκτρόνια που είναι σε θέση να διατηρήσουν μια πιο ενδιαφέρουσα πολυλοβική δομή καθώς κινούνται μέσα σε ένα στερεό. Η ομάδα μελέτησε πειραματικά το σχήμα αυτών των μπαλονιών και διαπίστωσε ότι δεν ήταν μια ομοιόμορφη επιφάνεια, αλλά μια πολύπλοκη δομή. Αυτό το ασυνήθιστο μέταλλο δεν είναι μόνο θεμελιωδώς ενδιαφέρον, αλλά μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών ανθεκτικών στο θόρυβο.

Οι ερευνητές δημοσίευσαν πρόσφατα τα ευρήματά τους στο περιοδικό Έρευνα φυσικής ανασκόπησης.

«Όταν το ανακάλυψα για πρώτη φορά, ήμουν πραγματικά ενθουσιασμένος», λέει ο Hyunsoo Kim, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο QMC και κύριος συγγραφέας του έργου. «Αλλά χρειάστηκαν χρόνια για να μελετηθεί πλήρως, γιατί δεν είναι μια παραδοσιακή έννοια και επίσης εμπειρικά δύσκολο να συνδυαστεί Δεδομένα υψηλής ποιότητας. ”

Το 2011, η ομάδα ανακάλυψε για πρώτη φορά ότι το εν λόγω μέταλλο — το ύττριο πλατίνα βισμούθιο, ή το YPtBi — μπορεί να γίνει υπεραγωγός. Ορισμένα υλικά γίνονται υπεραγωγοί σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες και χάνουν κάθε αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα. Το YPtBi ήταν απίθανος υποψήφιος για υπεραγωγιμότητα επειδή έχει λιγότερα κινητά ηλεκτρόνια που μεταφέρουν ρεύμα από τα περισσότερα υπεραγωγοί. Όμως, προς έκπληξη των ερευνητών, η τεχνολογία έγινε ούτως ή άλλως υπεραγώγιμη. Επιπλέον, ο τρόπος που συμπεριφερόταν όταν εκτέθηκε σε μαγνητικό πεδίο παρείχε απόδειξη ότι δεν ήταν ένας συνηθισμένος υπεραγωγός.

Εκείνη την εποχή, οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι έφταιγε το σχήμα των τροχιακών ηλεκτρονίων και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον εαυτό τους και διαγράφουν περισσότερους κύκλους στο διάστημα – δηλαδή ηλεκτρόνια με υψηλότερη γωνιακή ορμή – αποτελούν μια άνευ προηγουμένου περίπτωση υπεραγωγιμότητας.

«Είχαμε αυτό που θα έλεγα περιστασιακά στοιχεία ότι η υπεραγωγιμότητα αποτελείται από ζεύγη ηλεκτρονίων με υψηλή γωνιακή ορμή», λέει ο Junpier Baglione, καθηγητής φυσικής στο UMD, διευθυντής του QMC και επικεφαλής της πειραματικής ομάδας σε αυτή τη συνεργασία. . «Αλλά δεν υπήρχαν άμεσες ενδείξεις για αυτά τα ηλεκτρόνια υψηλής γωνιακής ορμής».

Για να συλλέξει πιο άμεσα στοιχεία στα νέα πειράματα, η ομάδα ανέβασε τη θερμοκρασία και μελέτησε την ύλη στη φυσική, μη υπεραγώγιμη κατάστασή της. Στη συνέχεια, πραγματοποίησαν μια κλασική μέτρηση που σχεδιάζει κάτι σαν ένα συλλογικό ατομικό τροχιακό για όλα τα ηλεκτρόνια που επιπλέουν στο μέταλλο.

Όταν κοιτάζει κανείς μέσα σε ένα ορυκτό, βλέπει τα άτομα διατεταγμένα σε διατεταγμένα επαναλαμβανόμενα πλέγματα που ονομάζονται α κρυσταλλικού πλέγματος. Σε έναν κρύσταλλο, τα ατομικά τροχιακά των εξώτατων ηλεκτρονίων μετατοπίζονται μεταξύ τους. Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να απομακρυνθούν από τους αρχικούς πυρήνες τους και να μεταφέρουν ρεύμα μέσω του μετάλλου. Σε αυτήν την άκαμπτη διάταξη, υπάρχει ακόμα μια εκδοχή των μπαλονιών σε τροχιά, αλλά είναι πιο συνηθισμένο να τα οραματιζόμαστε όχι στο διάστημα – όπου υπάρχουν πολλά ογκώδη, δυσκίνητα τροχιακά – αλλά ως συνάρτηση της ταχύτητας και της κατεύθυνσης των ηλεκτρονίων που ταξιδεύουν. Τα ταχύτερα κινούμενα ηλεκτρόνια σε έναν κρύσταλλο σχηματίζουν το δικό τους μπαλόνι, ένα συλλογικό ανάλογο των ατομικών τροχιακών γνωστών ως επιφάνεια Fermi.

Το σχήμα της επιφάνειας Fermi αντανακλά τη βασική κρυσταλλική δομή, η οποία συνήθως δεν είναι παρόμοια με την τροχιακή δομή μεμονωμένων ατόμων. Αλλά για υλικά όπως το YPtBi που έχουν πολύ λίγα κινητά ηλεκτρόνια, η επιφάνεια Fermi δεν είναι πολύ μεγάλη. Εξαιτίας αυτού, διατηρούν ορισμένες από τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων που δεν κινούνται σχεδόν καθόλου, τα οποία βρίσκονται στο κέντρο της επιφάνειας Fermi.

«Το γεγονός ότι η φύση καθορίζει τις μη διαισθητικές ατομικές διατάξεις που επιτρέπουν στις επιφάνειες Fermi να διατηρούν υπογραφές ατομικών τροχιακών είναι συναρπαστικό και κάπως περίπλοκο», λέει ο Jai Dip Sao, συνδιευθυντής στο JQI και ο συνάδελφος Jai Dip Sao, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο UMD και καθηγητής θεωρίας. Συνεργάτης στο νέο χαρτί.

Για να αποκαλύψουν τη συναρπαστική και αντιφατική επιφάνεια Fermi, οι ερευνητές τοποθέτησαν έναν κρύσταλλο YPtBi μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο και μέτρησαν το ρεύμα που διέρρεε τον κρύσταλλο καθώς το πεδίο προσαρμόστηκε. με κατεύθυνση περιστροφής μαγνητικό πεδίο, μπόρεσαν να προσδιορίσουν την ταχύτητα των ταχύτερων ηλεκτρονίων σε κάθε κατεύθυνση. Βρήκαν ότι, παρόμοια με μια υψηλότερη γωνιακή ατομική τροχιά, η επιφάνεια Fermi έχει ένα περίπλοκο σχήμα σε αυτήν, με κορυφές και κοιλότητες κατά μήκος ορισμένων κατευθύνσεων. Η υψηλότερη συμμετρία του ίδιου κρυστάλλου συνήθως οδηγεί σε μια πιο ομοιόμορφη και σαν μπάλα επιφάνεια Fermi, επομένως ήταν εκπληκτικό να βρεθεί μια πιο περίπλοκη δομή. Αυτό δείχνει την πιθανότητα ότι τα συλλογικά ηλεκτρόνια παρουσίαζαν κάποια φύση υψηλότερης γωνιακής ορμής ατομικά τροχιακά.

Στην πραγματικότητα, οι θεωρητικοί υπολογισμοί από την ομάδα CMTC έδειξαν ότι τα πειραματικά αποτελέσματα ταίριαζαν με το μοντέλο υψηλής γωνιακής ορμής, οδηγώντας την ομάδα να διεκδικήσει την πρώτη πειραματική παρατήρηση ενός μετάλλου υψηλής γωνιακής ορμής. Η ομάδα προειδοποιεί ότι ακόμη και αυτά τα εμπειρικά στοιχεία μπορεί να είναι ακόμα ελλιπή. Αυτό που μέτρησαν δεν εξαρτιόταν μόνο από την επιφάνεια Fermi αλλά και από άλλες ιδιότητες των ηλεκτρονίων, όπως την ενεργό μάζα τους και την κατανομή των ταχυτήτων τους. Στην εργασία τους, η ομάδα μελέτησε συστηματικά τη γωνιακή εξάρτηση αυτών των άλλων ποσοτήτων και έδειξε ότι ήταν εξαιρετικά απίθανο να προκαλέσουν τις παρατηρούμενες κορυφές και κατώφλια.

Εκτός από το ότι είναι θεμελιωδώς νέο, αυτό το μέταλλο με υψηλότερη γωνιακή ορμή έχει πιθανές εφαρμογές για κβαντικούς υπολογιστές. Υπάρχουν προβλέψεις ότι κάποια εξωτική υπεραγώγιμη κατάσταση θα μπορούσε να προκαλέσει ιδιότητες που δεν επηρεάζονται από τον θόρυβο που εμφανίζεται σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή. Αυτές οι ιδιότητες μπορεί να είναι σε θέση να κωδικοποιούν κβαντικά bit, επιτρέποντας ενδεχομένως τη δημιουργία πιο ισχυρών κβαντικών υπολογιστών. Μένει να δούμε αν το YPtBi είναι παράξενο με τον σωστό τρόπο για να συμβεί αυτό, αλλά η νέα δουλειά είναι ένα σημαντικό βήμα προς την ανακάλυψη.

«Υπάρχουν πολλά κομμάτια στο παζλ της κατανόησης του τύπου υπεραγωγού που έχετε και αν μπορείτε να τον εκμεταλλευτείτε για να εκτελέσετε κβαντικούς υπολογισμούς», λέει ο Baglioni. “Υπάρχουν κάποιες πειραματικές προκλήσεις για να περάσετε το υπόλοιπο παζλ. Αλλά νομίζω ότι είμαστε ένα μεγάλο μέρος της διαδρομής προς τα εκεί.”