Това, което в продължение на десетилетия се считаше за масов

Това, което в продължение на десетилетия се считаше за всеобщ транспорт на заряд сред пластовете, се оказа оптична заблуда, която се преодолява посредством нов изчислителен метод.

Физици и инженери от университета „ Корнел “ демонстрираха, че в някои комплицирани квантови материали електроните по принцип не „ прескачат “ сред пластовете, а остават там, където са били в началото. За задачата екипът е създал нов изчислителен способ, който може безусловно да наблюдава къде отиват и къде не електроните в многослойните кристали.

Въпросните материали са така наречен несъизмерими или misfit материали. При тях кристалните решетки на прилежащите пластове не съответстват по честота: може да си представим структура от кубчета LEGO, при която единият пласт е спретнат върху квадратна решетка, а другият – върху шестоъгълна решетка. Отвън материалът наподобява като едно цяло, само че на атомно равнище пластовете като че ли не могат да се свържат идеално. Тези структури се считат за обещаващо място за търсене на необикновени квантови резултати, в това число свръхпроводимост.

Дълго време се смяташе, че мощните разбърквания на енергийните зони, които се следят в такива несъвместими системи, значат едно: забележителна част от електроните физически минават от един пласт в различен. Изчисленията на откривателите от Корнел обаче демонстрират друга картина. Те откриха, че химическите връзки на границата сред несъответстващите пластове карат електроните във всеки пласт да се преразпределят и да усилват броя на високоенергийните електрони, макар че сред пластовете действително се движат относително малко частици.

„ Това е значим клас материали, който в този момент се опитваме да разберем “,

казва ръководителят на публикацията, професорът по физика Томас Ариас.

Той показва, че неправилните структури са се трансформирали в съвършен полигон за изпитване на новия метод към изчисленията. Методът употребява концепцията, че електроните в твърдо тяло реагират най-вече на непосредственото си обграждане. На микроскопично равнище електронът може да се опише като вълна, която се популяризира през кристала, само че в една плътна електронна система доста талази се анулират взаимно, сходно на вълничките по повърхността на компактно напълнен басейн. В резултат на това локалната среда, а не целият кристал, става централна за държанието на даден електрон.

Аспирантът Дрейк Неджелски ползва нов изчислителен метод за моделиране на несъизмеримите слоести системи, в които се редуват пластове от редкоземна сол с квадратна симетричност и материали с хексагонална решетка.

Експериментите демонстрираха, че броят на високоенергийните електрони се усилва в хексагоналния пласт и това нормално се тълкуваше като знак за огромен транспорт на заряд от прилежащия пласт. Но прецизните квантовомеханични калкулации на Неджелски дадоха друг резултат: действителният транспорт беше към шест пъти по-малък, в сравнение с следваше от обичайните тълкования. Повечето електрони просто „ пренареждали “ разпределението си във всеки пласт, съвсем без да напущат „ родната “ низина.

За правенето на изчисленията значима роля изиграха микроскопските изображения на образците. Групата на Лена Куркутис извърши високопрецизно сондиране на структурата на несъответстващите материали, което разреши надеждно да се дефинира ситуацията на атомите и да се ускорят изчисленията. Самият способ, наименуван MINT-Sandwich, принадлежи към класа на ab initio методите и съгласно Ариас открива достъп до електронните структури на материали, които преди този момент са били считани за прекомерно комплицирани за директни калкулации без изкуствени опростявания и натоварвания.

Изследователите акцентират, че сходен „ изчислителен опит “ дава информация, която е толкоз добра, колкото и добре следените лабораторни измервания. Всъщност той се трансформира в трети самостоятелен източник на данни наред с обичайна доктрина и физическия опит. Това е значимо освен за инспекция на предходните хрумвания за държанието на електроните, само че и за планиране на нови квантови материали по поръчка, да вземем за пример структури с необикновени електронни свойства или устройства с висока успеваемост на електрическото изстудяване.