Badanie ujawnia ciemne stany skondensowanej materii w układzie kwantowym z dwiema parami podsieci

Stany ciemne to stany kwantowe, w których układ nie oddziałuje z polami zewnętrznymi, takimi jak światło (tj. fotony) czy pola elektromagnetyczne. Stany te, które na ogół powstają w wyniku interferencji pomiędzy drogami, którymi układ oddziałuje z polem zewnętrznym, nie mogą zostać wykryte dzięki technik spektroskopowych.

Naukowcy z Uniwersytetu Yonsei w Korei Południowej i innych instytutów odkryli niedawno niewykrywalne ciemne stany skondensowanej materii w diselenku palladu – układzie kwantowym zawierającym dwie pary podsieci w swojej prymitywnej komórce.

Ich obserwacje opisane w papier Opublikowano w Fizyka przyrodyZjawisko to może mieć interesujące implikacje dla badania materiałów, stanów kwantowych i zjawisk z nimi związanych.

„Spektroskopia fotoemisyjna pod stałym kątem to potężna technika eksperymentalna, której używają fizycy, aby zrozumieć, jak zachowują się elektrony w ciałach stałych” – powiedział Phys.org Keun-Soo Kim, profesor fizyki na Uniwersytecie Yonsei i współautor badania.

„Dzięki eksperymentom powszechnie wiadomo, iż nie wszystkie elektrony można wykryć dzięki spektroskopii fotoemisyjnej pod określonym kątem. Innymi słowy, niektóre elektrony można wykryć, ale innych nie”.

Fizycy przez długi czas zakładali, iż brak możliwości wykrycia niektórych elektronów dzięki technik spektroskopowych ma związek ze sposobami przeprowadzania eksperymentów, a nie z nieodłącznymi adekwatnościami materiałów.

Jednak w poprzednich badaniach analizujących proste materiały pierwiastkowe z pojedynczą parą podsieci, takie jak grafen i czarny fosfor, Kim i jego współpracownicy wykazali, iż zdolność do unikania jest w rzeczywistości ściśle związana z wewnętrznymi adekwatnościami materiałów.

Obraz przedstawiający cztery typy stanów elektronowych w ciałach stałych z dwiema parami podsieci oznaczonych A, B, C i D. Selenki palladu, nadprzewodniki miedziowe i perowskity halogenkowo-ołowiowe mają unikalne symetrie kryształów znane jako symetrie wielokrotnych zwierciadeł przesuwnych. Te symetrie upraszczają wszystkie elektrony do zaledwie czterech typów pokazanych na obrazku w kolorach niebieskim, czerwonym, żółtym i zielonym. Niebieski to tylko jasny stan, a czerwony, żółty i zielony to ciemne stany. Jak można łatwo rozpoznać porównując model i dane, kolor niebieski można zaobserwować jedynie w spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową. Prawa autorskie: Zhong i in

„Zbadaliśmy ten problem, rozszerzając go na materiały z dwiema parami podsieci i odkryliśmy, iż istnieją pewne elektrony, których nie można wykryć w żadnych warunkach eksperymentalnych” – powiedział Kim. „Mówiąc najprościej, możemy zobaczyć sygnały eksperymentalne tylko dla elektronów, co do których oczekuje się, iż będą wykrywalne (stany jasne), i nie możemy zobaczyć żadnych sygnałów eksperymentalnych dla elektronów, co do których oczekuje się, iż będą niewykrywalne (stany ciemne).”

Do przeprowadzenia eksperymentów naukowcy wykorzystali technikę znaną jako spektroskopia fotoemisyjna pod określonym kątem. Ta szeroko stosowana technika eksperymentalna wykorzystuje efekt fotoelektryczny odkryty po raz pierwszy przez Alberta Einsteina w celu gromadzenia informacji o strukturze elektronowej materiałów.

Zasadniczo Kim i jego współpracownicy napromieniowali swoje próbki wiązką fotonów o wysokiej energii. Ta wiązka energii wybiła część elektronów z próbki, umożliwiając im zebranie informacji o energii i pędzie, jakie wykazywały w próbce.

„W tej pracy badaliśmy trzy materiały, a mianowicie diselenek palladu (PdSe).₂), nadprzewodniki miedziane (Bi₂pan₂Wapń i miedź₂A₈+δ lub Bi-2212) i perowskit halogenkowo-ołowiowy (CsPbBr₃„Ważną wspólną adekwatnością tych trzech materiałów jest to, iż mają one pewne symetrie krystaliczne (wiele symetrii poślizgu lustrzanego), dzięki którym wszystkie elektrony w próbkach stałych można rozpoznać jako jeden z czterech typów” – wyjaśnił Kim.

Zasadniczo naukowcy odkryli, iż elektrony w układach kwantowych z dwiema parami podsieci można podzielić na cztery różne klasy. Jeden z tych typów elektronów można było wykryć dzięki rozdzielczej kątowej spektroskopii fotoemisyjnej, podczas gdy pozostałe trzy typy były niewykrywalne, ponieważ znajdowały się w ciemnych stanach.

„W tej chwili jest to tylko możliwość, ale nasz wynik oferuje nowy sposób wyjaśnienia jednego z długotrwałych problemów w badaniu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, zwanego łukiem Fermiego” – powiedział Kim. „Nasza natura jest zbyt złożona, aby uwzględnić wszystko w modelu teoretycznym i często trzeba zdecydować, co uwzględnić, a co wykluczyć w przybliżeniu. Ściśle mówiąc, w jednolitej strukturze nadprzewodników miedzianych istnieją podsieci, ale te podsieci zostały zignorowane. aż do teraz.”

• 

  Grupa badawcza. Źródło: Uniwersytet Yonsei
  

• 

  Członkowie grupy przeprowadzają eksperymenty z rozdzieloną spektroskopią fotoemisyjną pod kątem promieniowania synchrotronowego. Zdjęcia: Advanced Light Source, USA i Diamond Light Source, Wielka Brytania.
  

Niedawne prace tego zespołu pokazują istnienie ciemnych stanów w różnych układach kwantowych zawierających dwie pary podsieci, w tym dimery selenku palladu, nadprzewodniki miedziowe i perowskity halogenkowo-ołowiowe. W przyszłości może to mieć ważne implikacje dla badania tych materiałów, potencjalnie poszerzając wiedzę na temat ich podstawowej fizyki.

„Nasze wyniki rodzą pytanie, czy rzeczywiście prawdopodobne jest wykluczenie podsieci z jednolitej struktury nadprzewodników miedzianych podczas interpretacji danych z rozdzielczej spektroskopii emisyjnej optycznych zebranych z tych materiałów” – dodał Kim. „Nasz plan na przyszłe badania zakłada zagłębienie się w tę kwestię problem łuku Fermiego dla przewodników.” „Odmienność ponadtlenku miedzi ma ten sam charakter, ale w głębszy sposób, a mamy już pewne obiecujące wyniki i pracujemy nad kolejnym artykułem”.

© 2024 Web of Science