AZ 
İki keçid metal dixalkogenidindəki atom zolaqları uzun nəzəriyyəli kvant vəziyyətinə işarə edir
İnqrid Fadelli tərəfindən , Phys.org
redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan
Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin
Atomların olmadığı elektronlar: kristal qəfəsini (yuxarıda), boş yerlərdə simmetriya ilə sancaqlanmış orbital buludu (ortada) və bu gizli elektron quruluşu birbaşa göstərən STM təsvirini (aşağıda) göstərən NbSe₂-nin laylı görünüşü. Müəllif: Dumitru Călugăru.
İzolyatorlar elektronların sərbəst hərəkət edə bilmədiyi materiallardır. Keçmiş nəzəri tədqiqatlar, elektronların kristalın içərisində lokallaşdırıldığı, yük mərkəzlərinin isə atomların özlərində deyil, atomlar arasındakı boşluqlarda yerləşdiyi qeyri-adi bir izolyasiyaedici vəziyyətin mövcudluğunu proqnozlaşdırmışdı.
Prinston Universiteti və Donostia Beynəlxalq Fizika Mərkəzində (DIPC), digəri isə Kolumbiya Universitetində iki müstəqil tədqiqat qrupu bu yaxınlarda uzun müddətdir nəzəriyyələşdirilmiş kvant vəziyyətinin iki fərqli keçid metal dixalkogenidində, niobium diselenidində (NbSe₂) və volfram diselenidində (WSe₂) müşahidə etdilər. Onların hər ikisi Nature Physics jurnalında dərc olunmuş məqalələri topoloji kvant hadisələrinin öyrənilməsi üçün yeni imkanlar aça bilər.
Prinston və DIPC tədqiqatçıları tərəfindən aparılan araşdırma
Prinston Universiteti və DIPC-dəki tədqiqatçılar iki selen (Se) təbəqəsi arasında yerləşdirilmiş keçid metalı niobiumdan (Nb) ibarət ikiölçülü kvant materialı olan 1H-NbSe₂-nı yaxından öyrənməyə başladılar. Bu material on illərdir ki, tədqiq olunur, çünki kvant hadisələrini öyrənmək üçün perspektivli bir platforma olduğu aşkar edilmişdir.
“NbSe₂ superkeçiriciliyə malikdir, yük sıxlığı dalğası əmələ gətirir və van der Waals cihazlarında tikinti bloku kimi geniş istifadə olunur”, – deyə ilk məqalənin həmmüəllifi Dr. Dumitru Călugăru Phys.org-a bildirib. “Layihəmiz bu tanış material haqqında əsas sualdan yaranıb: onun aşağı enerjili fizikasından məsul olan elektronlar əslində harada yaşayır?”WSe₂-da zolaq topologiyasının real məkan görüntüsü. Üst sıra. WSe₂ valentlik zolağının maksimum lokallaşdırılmış Vannier funksiyası volfram atomlarının üzərində deyil, onların arasında yerləşir (solda). Brillouin zonasının Γ nöqtəsində (mərkəzdə) üçqat Bloch fazası vahiddir (qırmızı, 0; yaşıl, 2π/3; mavi, 4π/3) və orbitallar W yerində konstruktiv şəkildə müdaxilə edir. K nöqtəsində (sağda) Bloch fazası küləklənir və orbitallar W yerində (qırmızı ×) dağıdıcı və üç W atomu arasında boş yerdə konstruktiv şəkildə müdaxilə edir. K və Γ arasındakı simmetriya özəl dəyərlərindəki bu uyğunsuzluq Vannier mərkəzinin yerləşməsinin birbaşa sübutudur. Alt sıra. Skanerləmə tunel mikroskopiyası ilə müşahidə edilən eyni fizika. Fərqli tunelləmə qərəzi ilə STM skan edilməsi əldə edildi (ağ nöqtəli xətt). Üst yarım K-də zolaq maksimumunu araşdırır; alt yarım valentlik zolağında daha dərində, Γ yaxınlığında araşdırır. Soldan sağa: birinci prinsiplərin simulyasiyası, sabit cərəyanlı Z topoqrafiyası və sabit hündürlüklü cərəyan təsviri, W (tünd mavi) və Se (açıq mavi) atom qəfəsi üst-üstə düşür. Parlaq kontrast W atomlarından (aşağı, Γ) W atomları arasındakı boşluqlara (yuxarı, K) doğru hərəkət edir. Sürüşmə maneə törədilmiş atom həddinin real fəza imzasıdır. Müəllif: Holbrook və başqaları.
Adətən, elektronların kristaldakı atomlarla əlaqəli olduğu fərz edilir. Lakin müasir fiziki nəzəriyyələr göstərdi ki, materialın simmetriyası və topologiyası (yəni, material deformasiya olunduqda dəyişməz qalan xüsusiyyətlər) bəzən elektron zolağının elektron orbitallarını atomlara deyil, kristal qəfəsindəki boş mövqelərə yönəltməyə məcbur edə bilər. Bu fenomen “maneəli atom zolağı” kimi tanınır.
Məqalənin həmmüəllifi Dr. Yi Jiang bildirib ki, “Maneələnmiş atom zolaqları nəzəri olaraq bir neçə materialda proqnozlaşdırılırdı, lakin birbaşa eksperimental sübutlar hələ də çatışmırdı. Əsas məqsədimiz belə bir zolağın real kvant materialında birbaşa müşahidə oluna biləcəyini və onun qeyri-adi real məkan quruluşunu təsvir edə biləcəyini müəyyən etmək idi.”
Tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, Dr. Călugăru, Dr. Jiang və həmkarları skan tunel mikroskopiyası (STM) kimi tanınan bir texnikadan istifadə edərək monolayer NbSe₂ nümunəsini araşdırdılar. STM tədqiqatçılara materialların səthini fərdi atom miqyasında görüntüləməyə və öyrənməyə imkan verir. Kaqome metal CoSn-ə yönəlmiş əvvəlki STM işi göstərdi ki, bu materialın düz zolaqları ilə əlaqəli spektral çəki kaqome qəfəsinin boş mövqelərində cəmləşə bilər.
Məqalənin həmmüəllifi Dr. Haojie Guo bildirib ki, “STM atom nüvələrini birbaşa təsvir etmir. Bunun əvəzinə, o, səthə yaxın elektron vəziyyətlərini atom miqyaslı qətnamə ilə xəritələşdirir.”
Xüsusilə, tədqiqatçılar tərəfindən araşdırılan nümunələrdə az miqdarda çirk var idi. Fiziklər və materialşünaslar adətən çirkləri olmayan və ya çox az olan materialları sintez etməyə çalışsalar da, bu halda bu qüsurlar onlara STM görüntülərində atomların olduğu yerləri tapmağa kömək etdi.
Məqalənin həmmüəllifi, professor Miguel M. Ugeda izah etdi: “Bu, bizə elektron sıxlığını faktiki kristal qəfəslə müqayisə etmək üçün bir istinad çərçivəsi verdi. Daha sonra STM şəkillərini birinci prinsip hesablamaları və simmetriyaya əsaslanan nəzəri modelləşdirmə ilə birləşdirdik. Bu, müvafiq elektron orbitalın harada mərkəzləşdiyini yenidən qurmağa imkan verdi. Nəticə çox aydın idi: bu zolaqla əlaqəli elektron çəki atomlardan birində deyil, qəfəsdəki boş bir mövqedə cəmləşmişdir. Bu, maneə törədilmiş atom zolağının müəyyənedici barmaq izidir.”
Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .
Kolumbiyanın tədqiqat komandası
Kolumbiya Universitetində yerləşən ikinci tədqiqat qrupu, başqa bir keçid metal dixalkogenidi olan WSe₂ üzərində çox oxşar bir araşdırma apardı. Bu, iki selen (Se) təbəqəsi arasında mərkəzi volfram (W) təbəqəsindən ibarət olan başqa bir 2D materialdır.
İkinci məqalənin həmmüəllifi Raquel Queiroz Phys.org-a bildirib ki, “Uzun müddətdir ki, qrupum keçid metalı dixalkogenid yarımkeçiricilərinin kvant həndəsəsi haqqında düşünürdü. Onlar maneəli atom izolyatorunun ən sadə nümunəsidir və əminəm ki, onların bir çox heyrətamiz xüsusiyyətləri bu həndəsi mənşəylə təmin olunur. WSe₂-nin valentlik zolağı zolağın kənarındakı volfram atomlarındakı d-xarakterinə üstünlük təşkil edir və onun Vannier mərkəzi W atomları arasında, qəfəsin boş yerində yerləşir.”
Bu komandanın son məqaləsi Queiroz və onun Kolumbiyadakı şöbəsindəki digərləri arasında aparılan söhbətlərdən ortaya çıxdı. Xüsusilə, həmkarı Madisen Holbrook, WSe₂-nin nəzəri proqnozlarla uyğun gəlməyən STM şəkillərini toplamışdı, çünki onlarda topoqrafdakı parlaq nöqtələrin üzərində deyil, arasında qüsurlar var idi.
“Dəhlizlərdə söhbət edərək məlum oldu ki, bu, məhz topoloji maneənin nəticəsidir və biz bunu tez bir zamanda lövhədə orbitalların çəkilməsi ilə həll etdik ki, bu da həmişə çox əyləncəlidir”, – Keyruş dedi.
“Vannier mərkəzi metal atomları arasında yerləşir, buna görə də orbital müdaxilə və yük sıxlığı impuls fəzasında zondlanmış nöqtədən çox asılıdır. Sübut yük sıxlığının sıçrayışını görmək olardı və Madisen daha çox ölçmə apardı (bunlar çox çətin idi, çünki qəfəs mövqeyinin qərəzli süpürmə yolu ilə izlənilməsi lazım idi) və məhz bunu gördü. Bu, çox məmnunedici idi.”
Queiroz və əməkdaşları həmçinin nümunələrini STM istifadə edərək araşdırdılar, çünki bu texnika müəyyən bir enerjidə elektronların fəza paylanmasını subatom qətnaməsi ilə xəritələşdirə bilər. Bu, xüsusilə də maneə törədilmiş atom izolyator fazası da daxil olmaqla topoloji kvant fazalarını aşkar etməyə çalışarkən faydalıdır.
Keyroz izah etdi: “1H-TMD-nin STM təsvirinin topologiyasını oxumağı son dərəcə əhəmiyyətsiz edən iki şey var. Birincisi, metal sahələri, xalkogen sahələri və qəfəsin boş sahəsi eyni üçbucaqlı simmetriyaya malikdir. Təkcə təmiz təsvirdən hansı parlaq nöqtənin hansı atoma uyğun olduğunu deyə bilməzsiniz; bu, ədəbiyyatda onilliklərdir müzakirələrə səbəb olub. İkincisi, maksimum sıxlığın yerini müəyyən etsəniz belə, bu, Vannier mərkəzinin harada yerləşdiyini bilmək üçün kifayət deyil! Bütün topoloji məlumatlar dalğa funksiyaları fazasında yaşayır, bu isə STM-in birbaşa ölçdüyü şey deyil. Buna görə də tək bir STM təsvirindən kənara çıxmalı idik.”
Tədqiqatçılar nümunələrinin içərisində elektron sıxlığının zirvələrini tapmaq üçün kristalları bir qədər aşqarladılar. İstifadə etdikləri aşqarların hər biri kristalın içərisində simmetriya ilə müəyyən edilmiş müəyyən bir yeri (yəni, Uikoff mövqeyini) işıqlandırdı və beləliklə, istinad kimi çıxış etdi və elektron vəziyyətlərinin mövqeyini xəritələşdirməyə imkan verdi.
Keyruş dedi: “Tədqiqatımızın ikinci hissəsində nəzəriyyənin faydalı olduğu və ağır işlərin çoxunun fenomenologiya sahəsində Julian Ingham və ab initio simulyasiyaları ilə Daniel Kaplan tərəfindən görüldüyü yerdir”.
“Müxtəlif tunel qərəz gərginlikləri valentlik zolağının müxtəlif hissələrini seçir. Zolağın yuxarı hissəsində (Brillouen zonasının K nöqtəsi) parlaq naxış W atomları arasında yerləşir. Zolağın daha dərin hissəsində (Γ nöqtəsinə yaxın) parlaq naxış W atomlarına doğru hərəkət edir. Bu yerdəyişmə topoloji məlumata malikdir. K-də Bloch halları qeyri-trivial faza ilə üçqat fırlanma altında transformasiya olunur; Γ-də onlar trivial şəkildə transformasiya olunur. Müxtəlif momentlərdə simmetriya öz dəyərlərindəki bu uyğunsuzluq topoloji maneənin simmetriya göstəricisinin əlamətidir.”
Queiroz və həmkarları həmçinin WSe₂ nümunələrində elektron yük mərkəzlərinin əsl yerini vizuallaşdıra bildilər. Topladıqları ölçmələr topoloji cəhətdən maneə törədilmiş elektron zolağın mövcudluğunu təsdiqlədi.
Keyroz bildirib ki, ” Topoloji maneələrin erkən diaqnostikası sərhədlərdə baş verənlərə əsaslanır: kənar vəziyyətlər, künc yükləri, həcm-sərhəd uyğunluğunun bütün nəticələri. Burada maneəni kütlənin özündə görürük”. “Elektronların vahid hüceyrənin içərisində yaşadığı yer sərhəddən deyil, birbaşa müşahidə olunur.”
Bu tədqiqatların əsas nailiyyətləri
Bu iki tədqiqat qrupu, maneəli atom zolaqlarını eksperimental olaraq birbaşa müşahidə edən ilk qruplar idi. Onların tapıntıları təsdiqləyir ki, bəzi materiallarda elektronlar həmişə gözlənilən yerdə yerləşmir.
Məqalənin həmmüəllifi, professor B. Andrey Berneviq bildirib ki, “Daha geniş şəkildə desək, işimiz müasir zolaq nəzəriyyəsindən olduqca mücərrəd bir ideyanı intuitiv real məkan mənzərəsi ilə əlaqələndirir. Biz sözün əsl mənasında kristal qəfəsdəki boş mövqelərdə cəmləşmiş elektron çəkini görürük. Bu, konsepsiyanı daha real edir.”
Professor Berneviq və onun Prinston və DIPC-dəki həmkarları materiallarda elektron zolaqlarının real fəza strukturunu yüksək dəqiqliklə şərh etmək üçün perspektivli bir yanaşma təqdim etdilər. Gələcəkdə onların yanaşması müxtəlif digər kvant materiallarını öyrənmək üçün istifadə edilə bilər.
Professor Fernando de Juan bildirib ki, “Nəticələrimiz NbSe₂-nin daha geniş fizikasına da təsir göstərə bilər. Bu material superkeçiriciliyi və yük sıxlığı dalğa sırası ilə məşhurdur. İşimiz göstərir ki, güclü çoxcisimli təsirlər daxil edilməzdən əvvəl elektronlar artıq çox əhəmiyyətsiz real fəza quruluşuna malikdirlər. Növbəti təbii sual bu gizli elektron həndəsəsinin aşağı temperaturda ortaya çıxan kollektiv fazaları formalaşdırmağa kömək edib-etməməsidir.”
Boş kristal sahələrində elektron yüklərinin konsentrasiyası nəticədə materialların mühəndisliyi üçün də faydalı ola bilər. Məsələn, bu, tədqiqatçılara atomlarda yerləşməyən materiallarda kimyəvi cəhətdən aktiv bölgələr yaratmağa imkan verə bilər.
Queiroz və həmkarları həmçinin materialların zolaq topologiyasını öyrənmək üçün STM-i simmetriya ilə əlaqəli ölçmələrlə birləşdirən perspektivli bir metodologiya təqdim etdilər. Tədqiqatçılar hazırda yanaşmalarını təkmilləşdirməyi və onu materialların topologiyasını xarakterizə etmək üçün sistematik şəkildə istifadə edilə bilən bir vasitəyə çevirməyi planlaşdırırlar.
“Təcrübə baxımından işimiz uzun müddətdir davam edən qeyri-müəyyənliyi aradan qaldırır”, – deyə Keyroz bildirib. “İnsanlar təxminən qırx ildir ki, MX₂-nin STM təsvirlərindəki parlaq ləkələrin nəyə uyğun olduğunu yenidən təyin edirlər. Cavab budur ki, zolaq kənarında parlaq ləkələr atomlarda deyil; onlar metallar arasındakı bağ mərkəzindədir. Bu material ailəsindəki bir sıra qüsurların müəyyən edilməsinə yenidən baxılmalı olacaq. Və mən eyni şeyin bir çox digər materiallarda da doğru olacağını gözləyirəm.”
Son iki tədqiqat keçid metal dixalkogenidlərinin topoloji maneə nümayiş etdirdiyinə dair birbaşa eksperimental sübut təqdim edir. Bu materiallar son bir neçə onillikdə geniş şəkildə tədqiq olunsa da, tədqiqatçıların tapıntıları onların bir çox unikal və üstünlüklü xüsusiyyətlərinin əsas kvant həndəsəsi və topologiyası ilə əlaqəli olduğunu göstərir.
Keyroz bildirib ki, “Tədqiqatımız artıq başa düşdüyümüzü düşündüyümüz bir material sinfinə yeni işıq salır və material xüsusiyyətlərini yeni yollarla dizayn etmək barədə düşünməyə vadar edir. Təsvir etdiyimiz eyni həndəsi xüsusiyyət bir neçə görünən əlaqəsiz müşahidə olunanı idarə edir. Bu, TMD-lərin dielektrik sabitini , orbital maqnitləşməni və eksitonların bağlanma enerjisini artırır ki, bu da onların optika və fotonika sahəsində bu qədər faydalı olmasının bəzi səbəblərindən biridir və daha yaxınlarda hətta büküldükdə fraksiyalaşdırılmış kvant fazalarına sahib olduqları göstərilib. TMD-lər maraqlıdır və onların zolaq həndəsəsini anlamaq onları öyrənməyə davam etmək üçün mütləq vacibdir.”
Gələcək tədqiqat istiqamətləri
İki tədqiqat qrupu kvant materiallarında elektron vəziyyətlərinin quruluşunu araşdıran əlavə tədqiqatlar aparmağı hədəfləyir. Prinston və DIPC tədqiqatçıları hazırladıqları yanaşmanı kvant davranışı nümayiş etdirən digər materiallara da tətbiq etməyi planlaşdırırlar.
Professor Berneviq bildirib ki, “Həmçinin, NbSe₂-dakı maneəli atom zolağının materialın çoxcisimli fizikası üçün nə demək olduğunu anlamağa ümid edirik. Bu işdə ilk vacib tərkib hissəsini ölçdük: elektron dalğa funksiyasının real fəza strukturu. Növbəti sual bu strukturun yük sıxlığı dalğasına, superkeçiriciliyə və ya materialın digər kollektiv fazalarına təsir edib-etməməsidir. Bu mənada, bu məqalə hekayənin sonu deyil, daha geniş bir proqramın başlanğıcıdır.”
Kolumbiyadakı ikinci tədqiqat qrupu hazırda yeni təklif etdikləri metodologiyanın ümumiləşdirilməsi üzərində işləyir. Onlar ümid edirlər ki, bu, nəticədə tədqiqatlarını geniş çeşiddə digər materiallara da tətbiq etməyə imkan verəcək.
Keyroz əlavə etdi: “Digər fəza qrupları, digər nöqtə qrupları simmetriya ilə qorunan öz dəyərlərinin, fərqli orbital müdaxilələrin və müxtəlif növ maneələrin fərqli kombinasiyalarını əhatə edəcək. Biz resept yazmaq istəyirik: zolaq təsviri verildikdə, hansı real fəza STM ölçmələri zolağın topologiyasını müəyyən edə bilər? Yaxşı iş görülübsə, STM-in sıxlıq variasiyalarını qərəzli şəkildə araşdırmaq və şərh etmək standart halına gəlir.”
