Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University haben eine neue Art von Quantenmaterial geschaffen, dessen atomares Gerüst oder Gitter dramatisch zu einem Fischgrätenmuster verzerrt wurde.
Die resultierenden Verzerrungen seien „enorm“ im Vergleich zu denen, die bei anderen Materialien erreicht werden, sagte Woo Jin Kim, ein Postdoktorand am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC, der die Studie leitete.
„Dies ist ein sehr grundlegendes Ergebnis, daher ist es schwierig, Vorhersagen darüber zu treffen, was dabei herauskommen könnte oder nicht, aber die Möglichkeiten sind aufregend“, sagte SLAC/Stanford-Professor und SIMES-Direktor Harold Hwang.
„Basierend auf theoretischen Modellen von Mitgliedern unseres Teams sieht es so aus, als hätte das neue Material faszinierende magnetische, orbitale und Ladungsordnungseigenschaften, die wir weiter untersuchen wollen“, sagte er. Dies sind einige der Eigenschaften, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie Quantenmaterialien ihre überraschenden Eigenschaften verleihen.
Das Forschungsteam beschrieb seine Arbeit in a Papier veröffentlicht in Natur Heute.
Hochhäuser versus Oktaeder
Das Material mit Fischgrätenmuster ist die erste Demonstration des sogenannten Jahn-Teller (JT)-Effekts in einem geschichteten Material mit einem flachen, planaren Gitter, wie bei einem Hochhaus mit gleichmäßig verteilten Stockwerken.
Der JT-Effekt befasst sich mit dem Dilemma, dem ein Elektron gegenübersteht, wenn es sich einem Ion nähert – einem Atom, dem ein oder mehrere Elektronen fehlen.
So wie ein Ball, der über den Boden rollt, anhält und sich an einem niedrigen Punkt niederlässt, sucht und besetzt das Elektron die freie Stelle in den Elektronenorbitalen des Atoms, die den niedrigsten Energiezustand hat. Aber manchmal gibt es zwei Vakanzen mit gleich niedrigen Energien. Was dann?
Wenn sich das Ion in einem Molekül befindet oder in einen Kristall eingebettet ist, verzerrt der JT-Effekt das umgebende Atomgitter auf eine Weise, die nur eine freie Stelle im niedrigsten Energiezustand hinterlässt, wodurch das Problem des Elektrons gelöst wird, sagte Hwang.
Und wenn das gesamte Kristallgitter aus JT-Ionen besteht, verzieht sich in einigen Fällen die gesamte Kristallstruktur, sodass das Dilemma des Elektrons für alle Ionen gemeinsam gelöst wird.
Das ist in dieser Studie passiert.
„Der Jahn-Teller-Effekt erzeugt starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und zwischen den Elektronen und dem Gitter“, sagte Hwang. „Es wird angenommen, dass dies eine Schlüsselrolle in der Physik einer Reihe von Quantenmaterialien spielt.“
Der JT-Effekt wurde bereits für einzelne Moleküle und für 3D-kristalline Materialien nachgewiesen, die aus Ionen bestehen, die in oktaedrischen oder tetraedrischen Strukturen angeordnet sind. Tatsächlich weisen auf Mangan oder Kupfer basierende JT-Oxide einen kolossalen Magnetowiderstand und Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit auf – was Wissenschaftler dazu veranlasst, sich zu fragen, was in Materialien passieren würde, die auf anderen Elementen basieren oder eine andere Struktur haben.
In dieser Studie verwandelten die SIMES-Forscher ein Material aus Kobalt, Kalzium und Sauerstoff (CaCoO2,5), das eine unterschiedliche Stapelung von Oktaeder- und Tetraederschichten aufweist und als Brownmillerit bekannt ist, in ein Schichtmaterial (CaCoO2), bei dem der JT-Effekt auftritt greifen konnte. Sie haben es mit einem chemischen Trick geschafft, der vor einigen Jahren bei SIMES entwickelt wurde, um den ersten Nickeloxid-Supraleiter herzustellen.
Herausziehen von Jenga-Blöcken
Kim synthetisierte einen dünnen Film aus Brownmillerit und entfernte chemisch einzelne Schichten von Sauerstoffatomen aus seinem Gitter, ähnlich wie Spieler vorsichtig Blöcke aus einem Jenga-Turm entfernen. Das Gitter brach zusammen und bildete eine flache, planare Konfiguration mit abwechselnden Schichten, die negativ geladene Kobaltionen – die JT-Ionen – und positiv geladene Calciumionen enthielten.
Jedes Kobalt-Ion versuchte, Calcium-Ionen aus den Schichten darüber und darunter zu ziehen, sagte Kim.
„Dieses Tauziehen zwischen benachbarten Schichten führte zu einem wunderschönen Verzerrungsmuster, das den besten und harmonischsten Kompromiss zwischen den Kräften widerspiegelt, die im Spiel sind“, sagte er. „Und die daraus resultierenden Gitterverzerrungen sind im Vergleich zu anderen Materialien enorm – sie entsprechen 25 % des Abstands zwischen Ionen im Gitter.“
Hwang sagte, das Forschungsteam werde diese bemerkenswerte neue elektronische Konfiguration mit Röntgengeräten untersuchen, die bei SLAC und anderswo verfügbar sind. „Wir fragen uns auch, was passieren wird, wenn wir dieses Material dotieren können – indem wir einige Atome durch andere ersetzen, um die Anzahl der Elektronen zu ändern, die sich frei bewegen können“, sagte er. „Es gibt viele spannende Möglichkeiten.“
Forscher der Cornell University, des Pohang Accelerator Laboratory in Südkorea und des Center for Nanoscale Materials Sciences, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Oak Ridge National Laboratory, trugen zu dieser Arbeit bei.
Mehr Informationen:
Woo Jin Kim et al., Geometrische Frustration der Jahn-Teller-Ordnung im Gitter mit unendlichen Schichten, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05681-2