Ученые застыли в изумлении: электроны превращаются в "призраков" благодаря квантовой магии

Применение квантовых законов дорожного движения к трехмерному уличному пейзажу определенного типа кристалла может привести к замедлению электронного потока в период пиковой активности.

В поисках новых материалов, способных обладать уникальными свойствами, физики из американского Университета Райс провели эксперимент, который заставил электроны, свободно перемещающиеся, оставаться на месте. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.

Хотя такое явление уже было наблюдено в материалах, где электроны ограничены только двумя измерениями, впервые оно было зафиксировано в трехмерной кристаллической решетке металла, известной как пирохлор. Этот подход предоставляет исследователям новый инструмент для изучения необычной активности заряженных частиц.

"Мы ищем материалы, в которых могут проявляться новые состояния материи или экзотические свойства, которые еще не были изучены", — говорит физик из Университета Райс Минг Йи.

Аналогично тому, как свет может быть описан как волны и частицы, также можно рассматривать и атомы как строительные блоки.

Волновое квантовое поведение электронов играет важную роль в их активности в различных условиях. Охлажденные электронные волны могут взаимодействовать друг с другом, создавая явления запутывания, которые позволяют им проходить сквозь твердые тела, как будто они призраки, что открывает путь к созданию энергоэффективных материалов, таких как сверхпроводники.

Поведение электронов также можно контролировать другими способами. Удачное расположение элементов в правильных пропорциях может создать уникальные перекрестки, напоминающие светофоры, что превращает хаотичное движение пешеходов и автомобилей в плавное, упорядоченное движение, известное как геометрическое размещение.

Пирохлоры представляют собой сложные минералы с определенной структурой, что делает их полезными для множества научных и промышленных приложений. Создание сплава меди, ванадия и серы привело к образованию металла с нарушенной геометрической структурой, который может направлять электронные волны в определенные направления.

"Этот эффект квантовой интерференции сравним с волнами на поверхности пруда, сталкивающимися друг с другом", — объясняет Йи. "Это столкновение создает стоячую волну, оставаясь неподвижной. В случае с материалами с нарушенной геометрией решетки деструктивное взаимодействие вызывается электронными волновыми функциями".

С помощью метода, известного как фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением, команда исследователей смогла измерить энергию и импульс электронов в трехмерной решетке, демонстрируя их взаимную независимость, что является необычным для подобных систем.

В этом особом пространстве, известном как плоская зона, взаимодействия между свободными электронами регулируются особыми правилами, которые теоретически, могут помочь физикам в лучшем понимании электромагнитных явлений, включая сверхпроводимость.

Хотя локализованные электроны уже были обнаружены в двумерных материалах, таких как решетки Кагоме, образование плоской зоны в трёхмерной решетке является доказательством концепции, которая может привести к созданию совершенно нового класса материалов.

"Пирохлоры — это только начало", — говорит физик из Университета Райс Цимяо Си. "Это новый подход к проектированию, который дает теоретикам возможность предсказывать материалы, в которых образуются плоские зоны из-за сильных электронных корреляций".