研究人员制造出一种具有戏剧性扭曲模式的新型量子材料

能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员创造了一种新型量子材料，其原子支架或晶格已被戏剧性地扭曲成人字形图案。

领导这项研究的SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)博士后研究员WooJinKim说，与其他材料相比，由此产生的扭曲是“巨大的”。

“这是一个非常基本的结果，因此很难预测它会产生什么或不会产生什么，但可能性是令人兴奋的，”SLAC/斯坦福大学教授兼SIMES主任HaroldHwang说。

“根据我们团队成员的理论模型，看起来这种新材料具有有趣的磁性、轨道和电荷顺序特性，我们计划进一步研究这些特性，”他说。这些正是科学家认为赋予量子材料惊人特性的一些特性。

研究小组在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了他们的工作。

高层建筑与八面体

人字形图案的材料是Jahn-Teller(JT)效应在具有平坦平面格子的分层材料中的首次展示，就像一栋楼层间距均匀的高层建筑。

JT效应解决了电子在接近离子(缺少一个或多个电子的原子)时面临的困境。

就像沿地面滚动的球会停在一个低点，电子会寻找并占据原子电子轨道中具有最低能量状态的空位。但有时会出现两个能量同样低的空位。然后怎样呢?

Hwang说，如果离子在分子中或嵌入晶体中，JT效应会扭曲周围的原子晶格，从而在最低能态只留下一个空位，从而解决电子的问题。

当整个晶格由JT离子组成时，在某些情况下，整个晶体结构会发生扭曲，因此电子的困境可以为所有离子协同解决。

这就是这项研究中发生的事情。

“Jahn-Teller效应在电子之间以及电子与晶格之间产生了强烈的相互作用，”Hwang说。“这被认为在许多量子材料的物理学中起着关键作用。”

JT效应已经在单分子和由以八面体或四面体结构排列的离子组成的3D晶体材料中得到证实。事实上，基于锰或铜的JT氧化物表现出巨大的磁阻和高温超导性——这让科学家们想知道基于其他元素或具有不同结构的材料会发生什么。

在这项研究中，SIMES研究人员将一种由钴、钙和氧制成的材料(CaCoO2.5)转变为层状材料(CaCoO2)，这种材料具有不同的八面体层和四面体层堆叠，被称为褐镁石，其中JT效应可以抓住。他们使用SIMES几年前开发的一种化学技巧来制造第一个氧化镍超导体。

拉出叠叠乐积木

Kim合成了一层褐镁铝石薄膜，并用化学方法从其晶格中去除了单层氧原子，就像玩家小心翼翼地从Jenga塔中移除积木一样。晶格塌陷并形成平坦的平面结构，交替层包含带负电的钴离子(JT离子)和带正电的钙离子。

Kim说，每个钴离子都试图从其上方和下方的层中拉出钙离子。

“相邻层之间的这种拉锯战导致了一种美丽的扭曲模式，反映了发挥作用的力量之间最好、最和谐的妥协，”他说。“与其他材料相比，由此产生的晶格扭曲是巨大的——相当于晶格中离子之间距离的25%。”

Hwang表示，研究团队将使用SLAC和其他地方提供的X射线工具探索这种非凡的新电子配置。“我们还想知道如果我们可以掺杂这种材料会发生什么——用其他原子代替一些原子以改变可以自由移动的电子数量，”他说。“有很多令人兴奋的可能性。”

来自康奈尔大学、韩国浦项加速器实验室和橡树岭国家实验室美国能源部科学办公室用户设施纳米材料科学中心的研究人员为这项工作做出了贡献。