_ Punerea unui nou spin asupra disulfurei de tantal în fază 1T: oamenii de știință descoperă o stare electronică ascunsă

Cercetarea se desfășoară adesea ca un proces în mai multe etape. Soluția la o întrebare poate declanșa mai multe, inspirând oamenii de știință să ajungă mai departe și să privească problema mai mare din mai multe perspective diferite. Astfel de proiecte pot fi adesea catalizatorul pentru colaborări care valorifică expertiza și capacitățile diferitelor echipe și instituții pe măsură ce cresc.

Timp de o jumătate de secol, oamenii de știință au cercetat misterele disulfurei de tantal în faza 1T (1T- TaS2), un material stratificat anorganic cu unele proprietăți cuantice interesante, cum ar fi undele de supraconductivitate și densitatea sarcinii (CDW).

Pentru a debloca structura și comportamentul complex al acestui material, cercetătorii de la Institutul Jozef Stefan din Slovenia și Universitatea Paris-Saclay din Franța a contactat experții care utilizează linia de lumină a funcției de distribuție a perechilor (PDF) la Sursa de lumină națională a sincrotronului II (NSLS-II), o facilitate pentru utilizatorii Biroului de Știință al Departamentului de Energie (DOE) din SUA, situată la Brookhaven National. Laborator, pentru a afla mai multe despre structura materialului.

În timp ce echipa din Slovenia studia aceste tipuri de materiale de zeci de ani, le lipsea caracterizarea structurală specifică pe care PDF-ul o putea oferi.

Rezultatele acestei colaborări, publicate recent în Nature Communications, au dezvăluit o stare electronică ascunsă care ar putea fi văzută doar de o sondă de structură locală, cum ar fi tehnica funcției de distribuție a perechilor. Cu o înțelegere mai completă a stărilor electronice ale lui 1T-TaS2, acest material poate juca într-o zi un rol în stocarea datelor, calculul cuantic și supraconductivitate.

Când oamenii de știință studiază un material, uneori vor să vadă calea atomii sunt aranjați pe o scară scurtă - o scară de 10 nanometri - și uneori vor să vadă cum se repetă modelele dintr-o structură atomică pe un interval lung, cum ar fi o scară micrometrică.

Diferența dintre aceste scale. este comparabil cu privire la câteva clădiri diferite pe o stradă față de modul în care clădirile sunt aranjate pe mai multe blocuri. Fiecare dintre aceste sarcini necesită un punct de vedere foarte diferit. Atunci când studiază proprietățile unui material, cercetătorii pot vedea anumite comportamente doar la o anumită scară de lungime.

„Facem mai multe tipuri de măsurători la linia fasciculului”, a explicat principalul om de știință Milinda Abeykoon. „De obicei, folosim difracția cu raze X pe pulbere (XRD) pentru a caracteriza ordinea pe distanță lungă a unei probe, dar în acest material, am suspectat coexistența unor caracteristici ordonate pe rază scurtă care ar putea duce la proprietățile sale interesante, așa că PDF a fost ideal pentru acest tip de caracterizare structurală.

„Linia de lumină are, de asemenea, echipamente specializate, cum ar fi configurația combinată crioflux și suflantă de aer cald, care a fost crucială pentru noi să descoperim unele dintre caracteristicile subtile dependente de temperatură ale acestui tip. material într-un interval de temperatură foarte larg."

"Puteți avea un material care arată ca un sistem ordonat ideal, pe distanță lungă atunci când este observat folosind XRD, dar abaterile structurale la o scară mai mică pot fi detectate atunci când PDF-ul este folosit”, a spus Emil Bozin, un om de știință care conduce cercetarea PDF în cadrul Diviziei de Fizică și Știința Materialelor Condensate (CMPMS) de la Brookhaven National Laboratory și unul dintre autorii principali ai acestei lucrări.

„Dacă am nu am aplicat această tehnică, nu am fi putut să vedem că există de fapt o ordine ascunsă de rază scurtă în sistem pe care toate sondele utilizate anterior o rataseră. Există un aspect structural local important.”

1T-TaS2: Un material stratificat plin de surprize

Dicalcogenurile metalice de tranziție, sau TMD, sunt o clasă de materiale construite cu straturi subțiri atomic. TMD-urile prezintă un metal de tranziție care se află între două straturi de calcogeni, materiale care conțin oxigen, sulf și seleniu. Fiecare dintre aceste straturi de material are o grosime de numai un atom - o milioneme din grosimea unei șuvițe de păr uman.

În cazul 1T-TaS2, un strat subțire de tantal este intercalat între două straturi de sulf. Fiecare material are propria sa structură specifică, stratificată, dar atunci când straturile sunt combinate, electronii interacționează între ei în acest mediu diferit și creează noi proprietăți.

TMD-urile au fost studiate de multe decenii, deoarece prezintă fascinante, dar totuși. CDW-uri complexe pe măsură ce sunt răcite. CDW-urile sunt o anumită aliniere ordonată pe rază lungă de taxe care ar putea fi determinată de diferiți factori; în diferite materiale TMD, straturile se stivuiesc în moduri subtil diferite. Modul în care structura se comandă creează un sistem foarte specific.

1T-TaS2 este special în multe privințe. Ca și alte TMD-uri, prezintă acest CDW, dar spre deosebire de celelalte care rămân metalice, ceea ce înseamnă că conduc bine curentul electric, acest sistem particular este de fapt izolator în starea sa CDW.

CDW este un fenomen cuantic care implică mișcarea electronilor care formează un model care se repetă într-un material. Acest aranjament afectează proprietățile electronice și structurale ale materialului, deschizându-l către diferite aplicații, inclusiv stocarea în memorie, tehnologia senzorilor și calculul cuantic.

O altă caracteristică notabilă a 1T-TaS2 este că este un material candidat pentru lichid de spin cuantic. Lichidele de spin cuantic sunt sisteme paramagnetice, ceea ce înseamnă că materialul nu are o ordine magnetică pe distanță lungă. Din cauza fluctuațiilor cuantice, rotația lor nu comandă niciodată, chiar și la temperaturi scăzute. Aceste materiale sunt caracterizate de întanglementarea cuantică, ceea ce le-a adus în atenția cercetătorilor din domeniul calculului cuantic topologic.

„Acesta este un concept care a fost explorat profund în sens teoretic”, a spus Bozin. , „dar există puține date despre realizarea acestor concepte de către sistemul real. Deși nu abordăm această problemă direct în studiul nostru, una dintre caracteristicile cheie ale acestui material este cea care îl face atât de interesant. Dacă se dovedește că acest material este starea lichidă de spin teoretică poate fi de fapt stabilizată, ea deschide noi posibilități în lumea științei informației cuantice."

"1T-TaS2 nu este interesant doar datorită potențialului său în calculul cuantic. Există și aplicații în calculul clasic care prezintă un interes practic mai imediat”, a declarat Drăgan Mihailovic, șeful departamentului pentru probleme complexe la Institutul Jozef Stefan din Slovenia și unul dintre autorii principali ai acestei lucrări.

„Am descoperit că acest material face ceva cu adevărat extraordinar atunci când este expus la impulsuri foarte scurte de lumină sau electricitate. Aceste impulsuri pot provoca o modificare a configurației de încărcare în cadrul CDW, care, la rândul său, duce la o scădere mare a rezistenței electrice.

„La temperaturi scăzute, aceste modificări pot intra într-o stare conducătoare „metastabilă”, care poate fi controlat revenit la starea de izolare după bunul plac. Aceasta are aplicații practice în calcul, cum ar fi stocarea în memorie, pe care echipa din Slovenia începe deja să le exploreze cu jucători cheie din industria tehnologiei.

„The Avantajele cheie provin din faptul că astfel de dispozitive prezintă timpi de comutare cu rezistență sub-picosecunde și au o disipare record scăzută în intervalul atto-Joule. Combinate cu proprietăți excelente de ciclizare și scalare, astfel de dispozitive de „memorie de configurare a încărcării” bazate pe 1T-TaS2 sunt foarte promițătoare pentru toate tipurile de aplicații de criocalculație.”

„Folosind tehnica PDF pentru a explora structura cristalină a 1T. -TaS2 pe o gamă largă de temperaturi, am făcut câteva observații foarte surprinzătoare", a remarcat Abeykoon. "Temperatura materialului modifică structura electronică".

Pe măsură ce temperatura scade, materialul intră în starea CDW în care ordinea pe distanță lungă a materialului începe să se distorsioneze și să se schimbe. Sub 50 K - temperaturile la care aplicarea impulsurilor de lumină rapide duce la o stare metastabilă - materialul prezintă o distorsiune structurală neașteptată care cuplează straturile de tantal învecinate. Această distorsiune poate deține cheia pentru a obține o stare de lungă durată creată de impulsuri.

Dimpotrivă, încălzirea materialului peste 550 K îndepărtează complet CDW, ceea ce ar trebui să aibă ca rezultat un material nedistorsionat.

Aceste distorsiuni la temperatură ridicată provin din polaroni, cvasiparticule create de electroni în timp ce se deplasează prin structura rețelei a unui material și interacționează cu el la nivel local. Peste 600 K, structura stratificată a sistemului începe să se schimbe ireversibil. Se transformă dintr-o stivuire omogenă a unui tip de strat sandwich sulf-tantal-sulf într-o stivă eterogenă în care fiecare alt strat sandwich își schimbă tipul.

Pe măsură ce se produce schimbarea, numărul de polaroni scade cu 50% . Aceasta înseamnă că polaronii preferă un singur tip de strat sandwich - cel văzut în 1T-TaS2 curat.

„Acest lucru oferă o dovadă inconfundabilă pentru existența polaronilor cu mult peste temperatura de comandă CDW, care nu a fost niciodată. observat înainte”, a spus Mihailovic.

Ordinarea sarcinii acestui material – modelul pe care electronii îl creează pe baza densității lor în diferite zone ale unui material – este condusă de un mecanism complet diferit decât ne-am aștepta în mod tradițional. Ordonarea implică cristalizarea polaronilor în propria lor stare ordonată. Acest lucru este similar cu ceva cunoscut sub numele de „Cristal Wigner”, care descrie electronii aranjați într-o stare solidă, cristalină.

Înțelegerea proprietăților electronice complexe ale acestui material și modul de control al acestora deschide o serie de potențial. aplicații în electronică, detecție și calcul, dar mai sunt multe de învățat. Deși aceste stări ascunse care sunt expuse la lovirea materialului cu impulsuri laser ultra-rapide au fost văzute în trecut, ele nu au fost niciodată pe deplin înțelese.

Echipa intenționează să decodeze structura atomică și relația ei. cu structură de echilibru ordonată. Natura dependentă de temperatură a stării metastabile nu este încă pe deplin înțeleasă. Pentru a realiza pe deplin capacitățile de comutare optică și electrică ale acestui material pentru aplicații de înaltă tehnologie la temperaturi mai calde, cercetătorii trebuie să determine mai multe detalii despre această stare.

„Există încă mai multe zone neexplorate în acest sistem.” a spus Bozin, „inclusiv structura locală. Studiul nostru a dezvăluit că acest sistem este de fapt mult mai complex și, de la început, era deja complex. Există secrete despre acest material care continuă să apară și vor continua de-a lungul deceniilor. ."

(Fluierul)