Studie deckt dunkle Zustände kondensierter Materie in einem Quantensystem mit zwei Untergitterpaaren auf

Dunkle Zustände sind Quantenzustände, in denen ein System nicht mit externen Feldern wie Licht (d. h. Photonen) oder elektromagnetischen Feldern interagiert. Diese Zustände, die im Allgemeinen aufgrund von Interferenzen zwischen den Pfaden entstehen, über die ein System mit einem externen Feld interagiert, sind mit spektroskopischen Techniken nicht nachweisbar.

Forscher an der Yonsei-Universität in Südkorea und anderen Instituten haben kürzlich einige nicht nachweisbare dunkle Zustände kondensierter Materie in Palladiumdiselenid entdeckt, einem Quantensystem mit zwei Paaren von Untergittern in seiner primitiven Zelle.

Ihre Beobachtungen, zusammengefasst in einem Papier veröffentlicht in Naturphysikkönnte interessante Auswirkungen auf die Untersuchung von Materialien, Quantenzuständen und korrelierten Phänomenen haben.

„Die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie ist für Physiker eine leistungsfähige experimentelle Technik, um zu verstehen, wie sich Elektronen in Festkörpern verhalten“, sagte Keun Su Kim, Professor für Physik an der Yonsei-Universität und Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Aus Erfahrung weiß man, dass mit der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie nicht alle Elektronen erfasst werden. Mit anderen Worten: Manche Elektronen sind nachweisbar, andere jedoch nicht.“

Lange Zeit gingen Physiker davon aus, dass die Unfähigkeit, bestimmte Elektronen mit spektroskopischen Techniken nachzuweisen, eher mit den bei der Durchführung der Experimente verwendeten Methoden zusammenhängt und nicht mit den intrinsischen Eigenschaften der Materialien.

Allerdings zeigten Kim und seine Kollegen in früheren Studien zu einfachen elementaren Materialien mit einem Paar Untergitter, etwa Graphen und schwarzem Phosphor, dass diese Unfassbarkeit tatsächlich eng mit den intrinsischen Eigenschaften der Materialien zusammenhängt.

„Wir haben uns mit diesem Problem befasst und es auf Materialien mit zwei Paaren von Untergittern ausgeweitet. Dabei haben wir festgestellt, dass es einige Elektronen gibt, die unter keinen experimentellen Bedingungen nachgewiesen werden können“, sagte Kim. „Einfach gesagt konnten wir experimentelle Signale nur für Elektronen sehen, von denen wir erwarteten, dass sie nachweisbar sind (helle Zustände), und konnten keine experimentellen Signale für Elektronen sehen, von denen wir erwarteten, dass sie nicht nachweisbar sind (dunkle Zustände).“

Zur Durchführung ihrer Experimente verwendeten die Forscher eine Technik namens winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie. Diese weit verbreitete experimentelle Technik nutzt den photoelektrischen Effekt, den Albert Einstein erstmals entdeckte, um Informationen über die elektronische Struktur von Materialien zu sammeln.

Im Wesentlichen bestrahlten Kim und seine Kollegen ihre Proben mit einem hochenergetischen Photonenstrahl. Dieser Energiestrahl löste einige Elektronen aus der Probe, wodurch sie Informationen über die Energie und den Impuls sammeln konnten, die diese Elektronen noch in der Probe aufwiesen.

„In dieser Arbeit haben wir drei Materialien untersucht: Palladiumdiselenide (PdSe2), Cuprat-Supraleiter (Bi2Sr2CaCu2O8+δ oder Bi-2212) und Bleihalogenid-Perowskite (CsPbBr3)“, erklärte Kim. „Eine wichtige gemeinsame Eigenschaft dieser drei Materialien ist, dass sie bestimmte Kristallsymmetrien (mehrere Gleitspiegelsymmetrien) aufweisen, die alle Elektronen in den festen Proben als einen von vier Typen charakterisierbar machen.“

Im Wesentlichen stellten die Forscher fest, dass Elektronen in Quantensystemen mit zwei Untergitterpaaren in vier verschiedene Kategorien eingeteilt werden können. Einer dieser Elektronentypen konnte mithilfe der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie nachgewiesen werden, während die anderen drei Typen nicht nachweisbar waren, da sie sich in dunklen Zuständen befanden.

„Im Moment ist es nur eine Möglichkeit, aber unser Ergebnis bietet eine neue Möglichkeit, eines der seit langem bestehenden Probleme bei der Erforschung der Hochtemperatur-Supraleitung, den so genannten ‚Fermi-Bogen‘, zu erklären“, sagte Kim. „Unsere Natur ist zu komplex, um alles in das theoretische Modell aufzunehmen, und oft muss man eine Entscheidung darüber treffen, was man zur Annäherung einbeziehen und was man ausschließen möchte. Streng genommen gibt es in der Einheitsstruktur von Kuprat-Supraleitern Untergitter, aber diese Untergitter wurden bisher übersehen.“

Die jüngste Arbeit dieses Teams belegt die Existenz von dunklen Zuständen in verschiedenen Quantensystemen mit zwei Paaren von Untergittern, darunter Palladiumdiselenide, Cuprat-Supraleiter und Bleihalogenid-Perowskite. In Zukunft könnte sie wichtige Auswirkungen auf die Untersuchung dieser Materialien haben und möglicherweise das Verständnis ihrer zugrundeliegenden Physik erweitern.

„Unsere Ergebnisse werfen die Frage auf, ob es wirklich in Ordnung ist, Untergitter in der Einheitsstruktur von Cuprat-Supraleitern wegzulassen, wenn man winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopiedaten interpretiert, die von diesen Materialien gesammelt wurden“, fügte Kim hinzu. „Unser Plan für zukünftige Forschungen ist, uns im gleichen Kontext, aber tiefer, mit dem Fermi-Bogen-Problem von Cuprat-Supraleitern zu befassen. Wir haben bereits einige vielversprechende Ergebnisse und arbeiten an der nächsten Arbeit.“

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