הפתעות קוונטיות בחומרים נקיים במיוחד מגדירים מחדש את פיזיקת המתכת

ממצאים חדשים מצביעים על הצורך להעריך מחדש את התיאוריות הנוכחיות על אינטראקציות אלקטרונים, מה שמוביל להבנה טובה יותר של תכונות מגנטיות, מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה והתנהגות של מתכות שקופות.

חוקרים חשפו תופעות שלא נצפו בעבר בדגימה נקייה במיוחד של המתכת SrVO המתואמת₃ במאמר שפורסם ב-24 ביוני בכתב העת תקשורת טבע. המחקר מציע תובנות ניסיוניות המאתגרות את המודלים התיאורטיים הרווחים של מתכות יוצאות דופן אלו.

צוות המחקר הבינלאומי – ממכון פול דרוד לאלקטרוניקה מוצק (PDI), גרמניה; Oak Ridge National Laboratory (ORNL); אוניברסיטת מדינת פנסילבניה; אוניברסיטת פיטסבורג; המכון הקוונטי של פיטסבורג; ואוניברסיטת מינסוטה – מאמינים שהממצאים שלהם יגרמו להערכה מחודשת של התיאוריות הנוכחיות על השפעות מתאם אלקטרונים, ולשפוך אור על מקורותיהן של תופעות יקרות ערך במערכות אלו, כולל תכונות מגנטיות, מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, והמאפיינים הייחודיים של חריגות מאוד. מתכות שקופות.

המאפיינים המוזרים של נוזלי פרמי

חומר תחמוצת פרוסקיט SrVO₃ מסווג כנוזל פרמי – מצב המתאר מערכת של אינטראקציה של אלקטרונים במתכת בטמפרטורות נמוכות מספיק. במתכות קונבנציונליות, אלקטרונים המוליכים חשמל נעים באופן עצמאי, המכונה בדרך כלל גז פרמי. לעומת זאת, נוזלי פרמי כוללים אינטראקציות הדדיות משמעותיות בין אלקטרונים, כלומר התנועה של אלקטרון אחד משפיעה מאוד על האחרים.

התנהגות קולקטיבית זו יכולה להוביל למאפיינים אלקטרוניים ייחודיים עם יישומים טכנולוגיים עמוקים, המספקים תובנות לגבי האינטראקציות בין אלקטרונים במתכות מתואמות. SrVO₃ משמשת כמערכת מודל אידיאלית לחקר תופעות של מתאם אלקטרונים בשל פשטותה הגבישית והאלקטרונית. פשטות זו חיונית להבנת תופעות מורכבות כמו סדר מגנטי או מוליכות-על, שעלולים לסבך מחקרים תיאורטיים וניסיוניים.

השפעת טוהר החומר על הדיוק הניסוי

גורם מכריע נוסף בהבנת תוצאות ניסוי המנחים מודלים תיאורטיים להשפעות של מתאם אלקטרונים הוא נוכחות או היעדר פגמים בחומר עצמו. ד"ר רומן אנגל-הרברט, מוביל מחקר ומנהל PDI בברלין, אמר, "אם אתה רוצה לרדת לעומקו של אחד הסודות השמורים ביותר בפיזיקה של החומר המעובה, אז אתה חייב ללמוד אותו בצורתו הטהורה ביותר; בהיעדר הפרעה חיצונית כלשהי. חומרים באיכות גבוהה שהם כמעט ללא פגמים חיוניים. אתה צריך לסנתז חומרים נקיים במיוחד".

השגת מדגם ללא פגמים של SrVO₃ היה אתגר בלתי עביר לכאורה עד עכשיו. על ידי שימוש בטכניקת צמיחת סרט דק חדשנית המשלבת את היתרונות של אפיטקסית קרן מולקולרית ותצהיר אדים כימי, הצוות השיג רמה חסרת תקדים של טוהר החומר.

ד"ר מאט ברהלק, המחבר הראשון של המחקר שפורסם היום, מכמת את השיפור: "מדד פשוט לטוהר החומר הוא היחס בין קלות החשמל שזורם בטמפרטורת החדר בהשוואה לטמפרטורה נמוכה, הנקרא יחס ההתנגדות השיורית, ערך RRR. אם המתכת מכילה פגמים רבים ערכי RRR נמוכים, בדרך כלל בסביבות 2-5. הצלחנו לסנתז את SrVO₃ סרטים עם RRR כמעט פי 100 גדול יותר, 200, פותחים את הדלת כדי ללמוד את המאפיינים האמיתיים של המתכת SrVO₃. במיוחד, איכות החומר הגבוהה אפשרה גישה למשטר מיוחד בשדות מגנטיים גבוהים בפעם הראשונה, שם נמצאו הפתעות".

ממצאים חסרי תקדים מאתגרים תיאוריות מבוססות

צוות המדענים הבינתחומי הופתע לגלות שורה של תופעות תחבורה מוזרות שהיו בניגוד חד לתכונות ההובלה שנמדדו בעבר על דגימות פגומות מאוד. הממצאים שלהם קוראים תיגר על הקונצנזוס המדעי רב השנים בנוגע ל-SrVO₃ כנוזל פרמי פשוט.

אנגל-הרברט מסבירה: "המצב הזה היה מאוד מרגש אבל גם תמוה. אמנם שחזרנו התנהגות הובלה שדווחה בעבר של SrVO₃ בדגימות הפגומות מאוד שלנו, מדידות זהות בדגימות אולטרה-נקיות עם ערכי RRR גבוהים היו שונות." תוצאות מדגימות פגומות אפשרו פרשנות פשוטה של ​​התוצאות שתואמות את הציפייה התיאורטית. תוצאות אלו שימשו כהוכחה ניסיונית לכך שההבנה התיאורטית קלטה נכונה את השפעות מתאם האלקטרונים ב-SrVO₃. עם זאת, הצוות מצא שלא ניתן להסביר מדידות בדגימות האולטרה-נקיות כל כך בקלות.

ברהלק הוסיף: "תצפית בולטת היא הציפייה שמספר האלקטרונים המובילים חשמל במתכת אינו תלוי בטמפרטורה ובשדה המגנטי. זה כמובן נכון, אבל הפרשנות של הכמות הנמדדת אינה מדד ישיר לריכוז הנשא. במקום זאת, כמות זו מעורבת עם היבטים אחרים של תכונות החומר, כגון האופן שבו פגמים וטמפרטורה משפיעים על זרימת החשמל. היינו צריכים להעמיק בפיזיקה כדי להבין מה ראינו. זה מה שהופך את זה לכל כך חשוב ומרגש".

החוקרים מאמינים שהתגלית שלהם יכולה לשמש בסיס לחידוד מודלים תיאורטיים ולעורר בחינה מחדש של השקפות ופרשנויות מבוססות של חומרים המציגים מתאם אלקטרוני גדול.

אנגל-הרברט אומרת: "התפקיד שלנו כפיזיקאים ניסויים הוא לדחוף מעבר לגבולות ההבנה הנוכחית של הטבע. זה המקום שבו ניתן לגלות תגליות, שבו אנו מקדמים את המדע. בתור פיזיקאי חומר דחוס, חשוב להמשיך לשכלל את מושא המחקר שלנו על ידי אתגר לעצמנו לדחוף את הגבולות של שכלול החומרים. זה יכול לתת תובנות חדשות לגבי ההתנהגות האמיתית של מחלקה זו של חומרים ומאפשר הסבר מקיף של התופעות הנמדדות והנצפות.

"דרוש צוות בין-תחומי של מומחים כדי לעשות זאת. למרות שהעבודה עדיין לא הושלמה, התוצאות שלנו מהוות הזדמנות לקהילה לכייל מחדש את התיאוריות שלה; בחינה מחדש של חומרים שלדעתנו מובנים היטב ומעריכה מחדש את הפוטנציאל שלהם ליישומים."

צוות המחקר כלל את מוביל המחקר רומן אנגל-הרברט, שהגה ותכנן את הניסוי עם PI Matthew Brahlek (כיום ב-Oak Ridge National Laboratory) שביצע את הגידול, מדידות המגנטו-טרנספורט והמודלים; ליי ג'אנג, ג'וזף ד' רוט וג'ייסון לאפאנו (אוניברסיטת פנסילבניה סטייט) סייעו בצמיחה ובאפיון, טוראן בירול (אוניברסיטת מינסוטה) ביצעו תמיכה בתיאוריה, ומייגן בריגמן, פטריק אירווין וג'רמי לוי מאוניברסיטת פיטסבורג אישרו ואימת את מדידות המגנטוטרנספורט לשדות מגנטיים גבוהים. המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי והקרן הלאומית למדע.