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Distorsiones ‘masivas’: los investigadores crean un nuevo tipo de materia cuántica

Distorsiones ‘masivas’: los investigadores crean un nuevo tipo de materia cuántica

Esta ilustración muestra cómo tirar de un electrón entre capas de un nuevo material cuántico distorsionó su red atómica en un patrón dramático similar a una espiga. Los científicos de SLAC y Stanford que crearon el material apenas están comenzando a explorar cómo esta “enorme” distorsión afecta las propiedades del material. crédito:
Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

Formado por conflictos electrónicos entre capas atómicas de materia, este patrón en zigzag “increíble” podría conducir a características únicas que los investigadores apenas comienzan a investigar.

Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo material cuántico, cuyo marco atómico se ha distorsionado dramáticamente en un patrón en zigzag.

Según Lou Jin Kim, investigador principal del estudio e investigador postdoctoral en el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC, las deformaciones producidas por estos materiales son “enormes” en comparación con las de otros materiales.

“Este es un hallazgo muy básico, por lo que es difícil hacer predicciones sobre lo que puede o no resultar, pero las posibilidades son emocionantes”, dijo Harold Hwang, profesor de SLAC/Stanford y director de SIMES.

“Según el modelo teórico de los miembros de nuestro equipo, el nuevo material parece tener propiedades magnéticas, orbitales y de orden de carga intrigantes, y planeamos investigar más a fondo”, dijo. Estas son algunas de las propiedades que los científicos creen que dan a los materiales cuánticos sus asombrosas propiedades.

El equipo de investigación describió su trabajo en un artículo de investigación publicado en la revista naturaleza.

Creando una nueva estructura cuántica a través de Jenga Chemistry

En experimentos en SLAC y Stanford, los investigadores alteraron la estructura atómica del material de la izquierda, que consta de capas octaédricas y tetraédricas y se conoce como brownmillerita, al eliminar químicamente las capas de oxígeno, de la misma manera que los jugadores de Jenga eliminan con cuidado bloques de madera de un montón. El material resultante, a la derecha, se ha deformado significativamente en un patrón en zigzag tirando electrónicamente entre sus capas debido al efecto Jahn-Teller. Crédito: Woo Jin Kim/CIMES

Edificios altos versus octaédricos

El material con patrón de espiga es la primera demostración de algo llamado efecto Jahn-Teller (JT) en un material en capas con una celosía plana, como un edificio alto con pisos espaciados uniformemente.

El efecto JT aborda el dilema que enfrenta un electrón cuando se acerca a un ion -a[{” attribute=””>atom that’s missing one or more electrons.

Just like a ball rolling along the ground will stop and settle in a low spot, the electron will seek out and occupy the vacancy in the atom’s electron orbitals that have the lowest energy state. But sometimes there are two vacancies with equally low energies. What then?

If the ion is in a molecule or embedded in a crystal, the JT effect distorts the surrounding atomic lattice in a way that leaves only one vacancy at the lowest energy state, solving the electron’s problem, Hwang said.

And when the whole crystal lattice consists of JT ions, in some cases the overall crystal structure warps, so the electron’s dilemma is cooperatively solved for all the ions.

That’s what happened in this study.

How a Competition for Electrons Warps a Quantum Material

Illustration showing distortions in a new quantum material that were produced by an electronic tug-of-war between negatively charged cobalt ions ­and positively charged calcium ions. In what’s known as the Jahn-Teller effect, each cobalt ion tries to pull calcium ions from the layers above and below it, warping the atomic lattice in the direction of the arrows in a way that had not been seen before. Credit: Woo Jin Kim/SIMES

“The Jahn-Teller effect creates strong interactions between the electrons and between the electrons and the lattice,” Hwang said. “This is thought to play key roles in the physics of a number of quantum materials.”

The JT effect had already been demonstrated for single molecules and for 3D crystalline materials that consist of ions arranged in octahedral or tetrahedral structures. In fact, JT oxides based on manganese or copper exhibit colossal magnetoresistance and high-temperature superconductivity – leading scientists to wonder what would happen in materials based on other elements or having a different structure.

In this study, the SIMES researchers turned a material made of cobalt, calcium, and oxygen (CaCoO2.5), which has a different stacking of octahedral and tetrahedral layers and is known as brownmillerite, into a layered material (CaCoO2) where the JT effect could take hold. They did it with a chemical trick developed at SIMES a few years ago to make the first nickel oxide superconductor.

Pulling out Jenga blocks

Kim synthesized a thin film of brownmillerite and chemically removed single layers of oxygen atoms from its lattice, much like players carefully remove blocks from a Jenga tower. The lattice collapsed and settled into a flat, planar configuration with alternating layers containing negatively charged cobalt ions ­– the JT ions ­– and positively charged calcium ions.

Each cobalt ion tried to pull calcium ions from the layers above and below it, Kim said.

“This tug-of-war between adjacent layers led to a beautiful pattern of distortions that reflects the best and most harmonious compromise between the forces at play,” he said. “And the resulting lattice distortions are huge compared to those in other materials ­– equal to 25% of the distance between ions in the lattice.”

Hwang said the research team will be exploring this remarkable new electronic configuration with X-ray tools available at SLAC and elsewhere. “We also wonder what will happen if we can dope this material – replacing some atoms with others to change the number of electrons that are free to move around,” he said. “There are many exciting possibilities.”

Reference: “Geometric frustration of Jahn–Teller order in the infinite-layer lattice” by 22 February 2023, Woo Jin Kim, Michelle A. Smeaton, Chunjing Jia, Berit H. Goodge, Byeong-Gwan Cho, Kyuho Lee, Motoki Osada, Daniel Jost, Anton V. Ievlev, Brian Moritz, Lena F. Kourkoutis, Thomas P. Devereaux and Harold Y. Hwang, 22 February 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05681-2

Researchers from Cornell University, the Pohang Accelerator Laboratory in South Korea and the Center for Nanoscale Materials Sciences, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory, contributed to this work. It received major funding from the DOE Office of Science and the Gordon and Betty Moore Foundation’s Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative.

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