莱斯大学的科学家们发现了一种史无前例的材料，一种3D晶体金属，其中量子相关性和晶体结构的几何形状结合在一起，阻碍了电子的运动并将它们锁定在适当的位置。
这一发现在发布在《自然物理学》上的一项研究中进行了详细介绍。本文还描述了指导研究团队研究该材料的理论设计原理和实验方法。一份铜，两份钒和四份硫，该合金具有由共享角四面体组成的 3D 火绿石晶格。
“我们寻找可能存在新的物质状态或尚未被发现的新奇异特征的材料，”该研究的共同通讯作者，莱斯实验物理学家Ming Yi说。
量子材料是一个可能的地方，特别是如果它们具有强烈的电子相互作用，从而引起量子纠缠。纠缠会导致奇怪的电子行为，包括阻碍电子的运动，使其被锁定在原位。
“这种量子干涉效应类似于波浪在池塘表面荡漾并迎面相遇，”Yi说。“碰撞会产生不动的驻波。在几何受挫晶格材料的情况下，电子波函数会造成破坏性干扰。
金属和半金属中的电子局域化产生扁平电子带或扁平带。近年来，物理学家发现，一些二维晶体中原子的几何排列，如戈薇晶格，也可以产生扁平的带。这项新研究提供了3D材料效应的经验证据。
使用一种称为角度分辨光发射光谱的实验技术，Yi和研究的主要作者Jianwei Huang，她实验室的博士后研究员，详细介绍了铜 - 钒 - 硫材料的能带结构，并发现它具有一个扁平的能带，这在几个方面是独一无二的。
“事实证明，这两种类型的物理学在这种材料中都很重要，”Yi说。“正如理论所预测的那样，几何挫折方面是存在的。令人惊喜的是，在费米能级上产生了平坦带的相关效应，它可以积极参与确定物理性质。
在固态物质中，电子占据分成能带的量子态。这些电子带可以想象成梯子上的梯级，静电排斥限制了可以占据每个梯级的电子数量。费米能级是材料的固有属性，也是确定其能带结构的关键属性，是指梯子上最高占据位置的能级。
赖斯理论物理学家和该研究的共同通讯作者Qimiao Si，他的研究小组确定铜钒合金及其热石晶体结构可能是几何形状和强电子相互作用的挫折效应的宿主，他将这一发现比作发现一个新的大陆。
“这是第一项工作，不仅真正展示了几何和相互作用驱动的挫败感之间的这种合作，而且还展示了下一阶段的工作，即让电子处于阶梯顶部的同一空间中，在那里它们有最大的机会重组成有趣且具有潜在功能的新阶段，”Si说。
他说，他的研究小组在研究中使用的预测方法或设计原理也可能对研究具有其他晶格结构的量子材料的理论家有用。
“火绿石不是镇上唯一的游戏，”Si说。“这是一种新的设计原理，它允许理论家预测性地识别由于强电子相关性而产生扁平带的材料。
Yi说，火绿石晶体的进一步实验探索也有很大的空间。
“这只是冰山一角，”她说。“这是3D，这是新的，考虑到在Kagome晶格上有多少令人惊讶的发现，我设想在火绿石材料中可能会有同样甚至更令人兴奋的发现。
该研究团队包括来自四个实验室的10名赖斯研究人员。物理学家戴鹏程的研究小组生产了实验验证所需的许多样品，材料科学与纳米工程系的鲍里斯·雅科布森的研究小组进行了第一性原理计算，量化了几何挫折产生的平带效应。ARPES实验在莱斯大学和SLAC国家加速器实验室位于加利福尼亚州的斯坦福同步辐射光源和位于纽约的布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II进行，该团队包括来自SLAC，布鲁克海文和华盛顿大学的合作者。
