Indem sie an einem Quantenmaterial herumbastelten, das aus Atomen besteht, die in Form eines Sheriffsterns angeordnet sind, haben MIT-Physiker und Kollegen unerwartet einen neuen Weg entdeckt, einen Materiezustand zu erzeugen, der als „seltsames Metall“ bekannt ist. Seltsame Metalle sind wegen ihrer ungewöhnlichen Physik von Interesse und weil sie in den Hochtemperatur-Supraleitern gefunden wurden, die für eine Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
Die Arbeit stellt eine völlig neue Möglichkeit vor, seltsame Metalle zu erzeugen und zu untersuchen, deren Elektronen sich anders verhalten als die in einem herkömmlichen Metall wie Kupfer. „Es ist ein potenzieller neuer Ansatz für die Gestaltung dieser ungewöhnlichen Materialien“, sagt Joseph G. Checkelsky, leitender Forschungsleiter und außerordentlicher Professor für Physik.
Linda Ye, MIT Ph.D. '21, ist Erstautor eines Artikels über die Arbeit, der Anfang des Jahres in veröffentlicht wurde Naturphysik. „Eine neue Art, seltsame Metalle herzustellen, wird uns helfen, eine einheitliche Theorie hinter ihrem Verhalten zu entwickeln. Das war bisher eine ziemliche Herausforderung und könnte zu einem besseren Verständnis anderer Materialien, einschließlich Hochtemperatursupraleitern, führen“, sagt Ye, jetzt Assistenzprofessor am California Institute of Technologie.
Das Naturphysik Dem Artikel liegt ein News & Views-Artikel mit dem Titel „Eine seltsame Art, an ein seltsames Metall zu kommen“ bei.
Im Jahr 2018 berichteten Checkelsky und viele seiner Kollegen über eine Klasse von Quantenmaterialien, die als Kagome-Metalle bekannt sind. Mitglieder der Kagome-Metallfamilie bestehen aus Atomschichten, die in einem Gitter aus sich wiederholenden Einheiten angeordnet sind, ähnlich einem Davidstern oder einem Sheriff-Abzeichen. Das Muster ist auch in der japanischen Kultur verbreitet, insbesondere als Korbflechtmotiv.
„Wir interessierten uns für das Kagome-Gitter, weil die Theorie zeigte, dass es eine Vielzahl interessanter Strukturen für darauf sitzende Elektronen beherbergen sollte“, sagt Linda Ye. Tatsächlich berichteten Ye, Checkelsky und Kollegen, darunter Riccardo Comin und Liang Fu (ebenfalls vom MIT-Physiker), in ihrer Arbeit aus dem Jahr 2018, dass ihr neues Kagome-Metall Dirac-Fermionen erzeugte, nahezu masselose Teilchen, die den Photonen ähneln, die Licht transportieren.
„In diesem Fall waren die Dirac-Fermionen aufgrund der Berechnungen mehr oder weniger zu erwarten“, sagt Ye. Aber die seltsamen Metalle, die in der aktuellen Arbeit entdeckt wurden, waren völlig unerwartet, und „das bringt uns wirklich in ein neues Regime“, sagt sie.
Nach ihrer Entdeckung der Dirac-Fermionen wollten die Forscher sehen, ob sie „ein noch interessanteres Merkmal im Kagome-Gitter namens Flachband“ finden könnten, sagt Ye. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem die Elektronen im Wesentlichen stillstehen, obwohl sich jedes noch um seine eigene Achse dreht.
Wenn man Elektronen zum Stillstand bringt, können sie wirklich miteinander reden. Und dann passieren all die wirklich interessanten Dinge in der Physik der kondensierten Materie.
Auf der Suche nach einer flachen Band
Genauer gesagt suchte das Team nach einem flachen Band auf der Fermi-Ebene, das man sich als Meeresoberfläche vorstellen kann. Sie fanden es und begannen, die elektrischen Eigenschaften des Systems zu untersuchen, während sie hohem Druck und einem Magnetfeld ausgesetzt waren.
Sie entdeckten, dass die Elektronen im Flachband stark mit anderen Elektronen im System interagieren. Das Ergebnis, sagt Ye, sei wiederum mit dem Ozean vergleichbar. Ungestörte Elektronen im flachen Band kann man sich als ruhige See vorstellen. Sobald sie beginnen, mit anderen um sie herum zu interagieren, verwandelt sich das ruhige Meer in einen tosenden Sturm, in dem die Elektronen auf zwei verschiedene Arten agieren. Das Ergebnis: ein seltsames Metall.
„Wir wussten, dass das Flatband etwas Interessantes bringen würde, aber wir wussten nicht genau, was es uns bringen würde. Und was wir gefunden haben, ist ein seltsames Metall“, sagt Ye.
Sie stellt fest, dass die Arbeit zeigt, dass das Kagome-Gitter ein „sehr wichtiges Designprinzip für neue elektronische Zustände“ ist. Daher strebt sie nun eine Ausweitung der Arbeit auf andere Gitter an.
Die Entdeckung ist das Ergebnis jahrelanger Forschung. Ye selbst begann etwa 2015 mit der Erforschung von Kagome-Systemen. „Es war ein langes Projekt“, sagt sie. „Es hat sich sehr gelohnt, dies Schritt für Schritt aufzubauen und dabei viele interessante Dinge zu entdecken.“
Die MIT-Co-Autoren von Ye und Checkelsky sind Shiang Fang, ein Postdoktorand für Physik am MIT; Mingu Kang, MIT Ph.D. '23, jetzt an der Cornell University; Yonghun Lee, ein Gaststudent; Caolan John und Paul M. Neves, MIT-Absolventen in Physik; SY Frank Zhao, Postdoktorand für Physik am MIT; und Riccardo Comin, der Jahrgang 1947, außerordentlicher Professor für Karriereentwicklung für Physik.
Weitere Autoren sind Josef Kaufmann von der TU Wien und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick und Eli Rotenberg, alle vom Lawrence Berkeley National Laboratory; Efthimios Kaxiras und David C. Bell von der Harvard University; und Oleg Janson vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung.