Zespół naukowców z Cornell University postanowił przyjrzeć się na nowo zachowaniu elektronów w tak zwanych materiałach kwantowych. Chodzi o skomplikowane struktury, w których warstwy atomów układają się w niedopasowane siatki krystaliczne, jak próba połączenia kwadratowych klocków z sześciokątnymi. Dotychczasowe obserwacje, zwłaszcza duże przesunięcia w widmach energetycznych, interpretowano jednoznacznie: elektrony fizycznie przeskakują z jednej warstwy do drugiej. Nowe, precyzyjne obliczenia obalają tę tezę, pokazując zupełnie inny obraz.
Co się dzieje z elektronami?
Badacze zastosowali autorską metodę obliczeniową, aby prześwietlić zachowanie elektronów w materiałach typu misfit. Wyniki są zaskakujące. Okazuje się, że rzeczywisty transfer ładunku między warstwami jest nawet sześciokrotnie mniejszy, niż sugerowały wcześniejsze eksperymenty. Zamiast fizycznej wędrówki, dochodzi do głębokiej reorganizacji elektronów wewnątrz ich macierzystych warstw, wywołanej oddziaływaniami chemicznymi z sąsiednią, niedopasowaną strukturą. To przegrupowanie skutkuje zwiększeniem liczby elektronów o wysokiej energii, co przez lata błędnie odczytywano jako dowód na ich migrację.
Czytaj także: Fizycy odkryli nowy stan materii, który łamie dotychczasowe zasady. Elektrony wykazują niemożliwe zachowanie
To trochę tak, jakby obserwować poruszenie w tłumie na jednym balkonie i zakładać, że ludzie przeskakują na sąsiedni, podczas gdy oni po prostu intensywnie się przemieszczają i gestykulują na swoim własnym. Ta nowa interpretacja każe nam zupełnie inaczej spojrzeć na fizykę tych fascynujących materiałów.
Jak zajrzeć w głąb materii?
Kluczem do odkrycia była nowatorska technika obliczeniowa nazwana przez zespół MINT-Sandwich. Jej przełomowość polega na prostym, ale genialnym założeniu: elektrony reagują przede wszystkim na swoje bezpośrednie otoczenie atomowe. To podejście pozwoliło na przeprowadzenie symulacji dla materiałów uznawanych wcześniej za zbyt skomplikowane do analizy teoretycznej.
Naukowcy skupili się na konkretnych związkach, takich jak (LaSe)(NbSe2), które składają się z naprzemiennych warstw o symetrii kwadratowej i heksagonalnej. Materiały te są krewnymi skręconego grafenu, który przy magicznym kącie skręcenia warstw wykazuje nadprzewodnictwo. Metoda MINT-Sandwich działa jak trzecie, niezależne źródło wiedzy o systemach materiałowych, obok tradycyjnych eksperymentów i teorii. Pozwala wirtualnie “podglądać” pozycje i zachowania elektronów, rozstrzygając dylematy, które innymi metodami pozostawały nierozwiązane.
Znaczenie dla technologii. Chłodzenie i nadprzewodniki
Dlaczego to takie ważne? Chociażby dlatego, że prawdziwe zrozumienie mechanizmów rządzących elektronami to podstawa racjonalnego projektowania materiałów przyszłości. Jeśli wiemy, co naprawdę się dzieje, możemy celowo tworzyć struktury o pożądanych właściwościach. Ma to kluczowe znaczenie dla dwóch obszarów: poszukiwań nadprzewodników pracujących w wyższych temperaturach oraz rozwoju zaawansowanych urządzeń do chłodzenia elektrycznego, które mogłyby zrewolucjonizować elektronikę.
Czytaj także: Powstał przełomowy półprzewodnik. Elektrony płyną w nim jak w próżni
Wyniki badań opublikowano 14 listopada w pracy zatytułowanej “Unmasking Charge Transfer in the Misfits: ARPES and Ab Initio Prediction of Electronic Structure in Layered Incommensurate Systems without Artificial Strain”. Praca ta jest doskonałym przykładem na to, że nauka kwestionująca własne fundamenty rozwija się najszybciej. Choć nowe odkrycie nie od razu przyniesie nam telefon z nadprzewodzącym procesorem, to wyraźnie toruje drogę dla bardziej świadomych poszukiwań.