Fyzici poprvé polapili elektrony do 3D krystalu

Početný tým fyziků se inspiroval vzorem kagome, který je charakteristický pro tradiční japonské umění pletení košíků. Když udělali krystalickou mřížku s geometrií kagome, dokázali v ní uvěznit elektrony. Je to průlom, který otevírá cestu k výzkumu exotických elektronických stavů ve 3D materiálech a k velezajímavým aplikacím.

Geometrie kagome. Kredit: Checkelsky et al. (2023), Nature.

Elektrony se pohybují vodivým materiálem jako obyvatelé v centru velkoměsta. Tyto elektricky nabité částice do sebe občas narazí, ale většinou se o ostatní elektrony nezajímají. Každý elektron se řítí se svou vlastní energií.

Joseph Checkelsky. Kredit: Steph Stevens/MIT.

To se změní, když se elektrony v materiálu ocitnou společně uvězněné v nějakém prostoru. Mohou se dostat do stejného energetického stavu a chovají se, jako by šlo o jeden jediný elektron. Takovým kolektivním „zombie“ elektronickým stavům se říká „flat band.“ Vědci předpovídají, že se elektrony v těchto zombie stavech navzájem koordinují prostřednictvím kvantových stavů. Pak se může objevit exotické chování elektronů, jako například supravodivost nebo zvláštní formy magnetismu.

Pletení košíků z bambusu ve stylu kagome (1915). Kredit: A .Davey, Wikimedia Commons, , CC BY-SA 4.0.

Joseph Checkelsky z amerického Massachusetts Institute of Technology (MIT) a jeho kolegové nedávno úspěšně uvěznili elektrony ve 3D krystalu. Je to poprvé, kdy fyzici vytvořili „flat band“ ve 3D materiálu. Pomocí chemické manipulace se jim rovněž podařilo udělat z krystalu supravodič, tedy materiál, který vede elektrický proud s nulovým odporem.

Tým v tomto případě použil materiál CaNi2 v Lavesově intermetalické fázi C15, který obsahoval krystalickou mřížku pyrochloru niklu. Je ale nanejvýš pozoruhodné, že vlastně moc nezáleží na tom, z čeho dotyčný krystal je. Checkelsky a jeho spolupracovníci to potvrdili, když syntetizovali materiál se stejnou geometrií krystalické mřížky, v níž byly atomy niklu nahrazeny atomy rhodia a ruthenia.

Badatelé jsou přesvědčeni, že tímto způsobem lze polapit elektrony v krystalu s jakoukoliv kombinací atomů, pokud jsou atomy uspořádány podle specifické geometrie „kagome,“ inspirované stejnojmenným tradičním japonským uměním pletení košíků.

Jde o průlomový výzkum, který představuje nový způsob, jakým je možné zkoumat exotické elektronické stavy ve 3D materiálech. Zároveň otevírá cestu pro vývoj nových aplikací, včetně ultra efektivní infrastruktury pro rozvod elektřiny, nových typů kvantových bitů pro superpočítače nebo rychlejších a efektivnějších elektronických zařízení. Na obzoru se rovněž rýsuje cesta k supravodičům, které budou fungovat za vyšších teplot.

Video: A Quantum Mechanic’s Quest for the Perfect Conductor – Joe Checkelsky