I ricercatori della Rice University hanno fatto una scoperta rivoluzionaria nel campo dei materiali quantistici: un metallo cristallino tridimensionale che, grazie all’interazione unica tra correlazioni quantistiche e struttura geometrica del materiale, intrappola gli elettroni al suo interno. Questa scoperta sottolinea l’importanza delle bande elettroniche piatte nel determinare le proprietà di un materiale e apre la strada a ulteriori esplorazioni nei materiali quantistici con strutture a reticolo di pirolcloro.
La ricerca e il metodo di scoperta guidata
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto un materiale unico nel suo genere: un metallo cristallino tridimensionale in cui le correlazioni quantistiche e la geometria della struttura cristallina si combinano per frustrare il movimento degli elettroni e bloccarli in posizione. I dettagli di questa scoperta sono stati pubblicati su Nature Physics, dove viene descritto anche il principio di progettazione teorica e la metodologia sperimentale che hanno guidato il team di ricerca verso il materiale. Composto da una parte di rame, due parti di vanadio e quattro parti di zolfo, la lega presenta un reticolo pirolcloro tridimensionale costituito da tetraedri che condividono gli angoli.
Intreccio quantistico e localizzazione degli elettroni
“Ricerchiamo materiali dove ci sono potenzialmente nuovi stati della materia o nuove caratteristiche esotiche che non sono state scoperte”, ha affermato Ming Yi, fisico sperimentale della Rice e co-autore corrispondente dello studio. I materiali quantistici sono un luogo probabile dove cercare, specialmente se ospitano forti interazioni elettroniche che danno origine all’intreccio quantistico. L’intreccio porta a comportamenti elettronici strani, inclusa la frustrazione del movimento degli elettroni fino al punto in cui vengono bloccati in posizione.
“Questo effetto di interferenza quantistica è analogo alle onde che si increspano sulla superficie di uno stagno e si incontrano frontalmente”, ha detto Yi. “La collisione crea un’onda stazionaria che non si muove. Nel caso dei materiali a reticolo geometricamente frustrato, sono le funzioni d’onda elettroniche che interferiscono distruttivamente.”
Tecniche avanzate e scoperte sorprendenti
Utilizzando una tecnica sperimentale chiamata spettroscopia di fotoemissione angolare risolta, o ARPES, Yi e l’autore principale dello studio Jianwei Huang, un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio, hanno dettagliato la struttura a bande del materiale di rame-vanadio-zolfo e hanno scoperto che ospitava una banda piatta unica in diversi modi.
“Si è scoperto che entrambi i tipi di fisica sono importanti in questo materiale”, ha detto Yi. “L’aspetto della frustrazione geometrica era presente, come aveva previsto la teoria. La sorpresa piacevole è stata che c’erano anche effetti di correlazione che hanno prodotto la banda piatta al livello di Fermi, dove può partecipare attivamente nel determinare le proprietà fisiche.”
Intuizioni teoriche e direzioni future
Il fisico teorico della Rice e co-autore corrispondente dello studio Qimiao Si, il cui gruppo di ricerca ha identificato la lega di rame-vanadio e la sua struttura cristallina pirolcloro come possibile ospite per gli effetti combinati della frustrazione da geometria e forti interazioni elettroniche, ha paragonato la scoperta a trovare un nuovo continente.
“È il primo lavoro a mostrare davvero non solo questa cooperazione tra frustrazione guidata dalla geometria e dalle interazioni, ma anche la fase successiva, che è ottenere che gli elettroni siano nello stesso spazio in cima alla scala (energetica), dove c’è la massima possibilità che si riorganizzino in fasi interessanti e potenzialmente funzionali”, ha detto Si.
Ha aggiunto che la metodologia predittiva o il principio di progettazione utilizzato dal suo gruppo di ricerca nello studio potrebbero anche rivelarsi utili per i teorici che studiano materiali quantistici con altre strutture a reticolo cristallino.
“Il pirolcloro non è l’unico gioco in città”, ha detto Si. “Questo è un nuovo principio di progettazione che consente ai teorici di identificare in modo predittivo i materiali in cui le bande piatte sorgono a causa di forti correlazioni elettroniche.”
Yi ha affermato che c’è anche molto spazio per ulteriori esplorazioni sperimentali dei cristalli pirolcloro.
“Questo è solo la punta dell’iceberg”, ha detto. “Questo è 3D, che è nuovo, e solo date quante scoperte sorprendenti ci sono state sui reticoli di Kagome, immagino che potrebbero esserci scoperte altrettanto o forse ancora più eccitanti da fare nei materiali pirolcloro.”
