Lo studio rivela stati oscuri della materia condensata in un sistema quantistico con due coppie di sottoreticoli

Gli stati oscuri sono stati quantistici in cui il sistema non interagisce con campi esterni, come la luce (cioè i fotoni) o i campi elettromagnetici. Questi stati, che generalmente si verificano a causa di interferenze tra i percorsi attraverso i quali il sistema interagisce con un campo esterno, non possono essere rilevati utilizzando tecniche spettroscopiche.

I ricercatori della Yonsei University in Corea del Sud e di altri istituti hanno recentemente scoperto alcuni stati oscuri non rilevabili della materia condensata nel diseleniuro di palladio, un sistema quantistico che contiene due coppie di sottoreticoli nella sua cellula primitiva.

Le loro osservazioni, descritte in carta Pubblicato in Fisica della naturaQuesto fenomeno può avere implicazioni interessanti per lo studio dei materiali, degli stati quantistici e dei fenomeni associati.

“La spettroscopia di fotoemissione ad angolo fisso è una potente tecnica sperimentale che i fisici usano per capire come si comportano gli elettroni nei solidi”, ha detto a Phys.org Keun-Soo Kim, professore di fisica alla Yonsei University e coautore dello studio.

“Attraverso la sperimentazione, è diventato noto che non tutti gli elettroni possono essere rilevati mediante spettroscopia di fotoemissione ad angolo specifico. In altre parole, alcuni elettroni possono essere rilevati ma altri no.”

Per molto tempo i fisici hanno ipotizzato che l’incapacità di rilevare alcuni elettroni mediante tecniche spettroscopiche fosse legata ai metodi utilizzati per condurre gli esperimenti, piuttosto che alle proprietà intrinseche dei materiali.

Tuttavia, in studi precedenti che esaminavano materiali elementari semplici con una singola coppia di sottoreticoli, come il grafene e il fosforo nero, Kim e i suoi colleghi hanno dimostrato che questa capacità di eludere è in realtà strettamente correlata alle proprietà intrinseche dei materiali.

“Abbiamo studiato questo problema per estenderlo ai materiali con due paia di sottoreticoli e abbiamo scoperto che ci sono alcuni elettroni che non possono essere rilevati in nessuna condizione sperimentale”, ha detto Kim. “In parole povere, possiamo vedere solo segnali sperimentali per elettroni che dovrebbero essere rilevabili (stati luminosi) e non possiamo vedere alcun segnale sperimentale per elettroni che dovrebbero essere non rilevabili (stati oscuri).”

Per condurre i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come spettroscopia di fotoemissione ad angolo specifico. Questa tecnica sperimentale ampiamente utilizzata sfrutta l'effetto fotoelettrico scoperto per primo da Albert Einstein per raccogliere informazioni sulla struttura elettronica dei materiali.

In sostanza, Kim e i suoi colleghi hanno irradiato i loro campioni con un fascio di fotoni ad alta energia. Questo raggio di energia ha fatto uscire alcuni elettroni dal campione, consentendo loro di raccogliere informazioni sull’energia e sulla quantità di moto esibite mentre erano nel campione.

“In questo lavoro abbiamo studiato tre materiali, vale a dire il diseleniuro di palladio (PdSe).₂), superconduttori di rame (Bi₂Signore₂Calcio e rame₂UN₈+δ o Bi-2212) e perovskite agli alogenuri di piombo (CsPbBr₃“Un'importante proprietà comune tra questi tre materiali è che hanno determinate simmetrie cristalline (simmetrie multiple di scorrimento dello specchio) che rendono tutti gli elettroni nei campioni solidi riconoscibili come uno di quattro tipi”, ha spiegato Kim.

In sostanza, i ricercatori hanno scoperto che gli elettroni nei sistemi quantistici con due coppie di sottoreticoli possono essere classificati in quattro classi diverse. Uno di questi tipi di elettroni poteva essere rilevato utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolto, mentre gli altri tre tipi non erano rilevabili, perché erano in stati oscuri.

“È solo una possibilità al momento, ma il nostro risultato offre un nuovo modo per spiegare uno dei problemi di vecchia data nello studio della superconduttività ad alta temperatura, chiamato arco di Fermi”, ha detto Kim. “La nostra natura è troppo complessa per includere tutto in un modello teorico, e spesso è necessario decidere cosa includere e cosa escludere per approssimazione. A rigor di termini, ci sono dei sottoreticoli nella struttura unitaria dei superconduttori in rame, ma questi sottoreticoli sono stati ignorati. finora.”

Il lavoro recente di questo team mostra l’esistenza di stati oscuri in vari sistemi quantistici contenenti un paio di sottoreticoli, inclusi dimeri di seleniuro di palladio, superconduttori di rame e perovskiti di alogenuri di piombo. In futuro, ciò potrebbe avere importanti implicazioni per lo studio di questi materiali, ampliando potenzialmente la comprensione della loro fisica fondamentale.

“I nostri risultati sollevano la questione se sia davvero plausibile escludere i sottoreticoli nella struttura unitaria dei superconduttori di rame quando si interpretano i dati della spettroscopia di emissione ottica ad angolo risolto raccolti da questi materiali”, ha aggiunto Kim. “Il nostro piano per la ricerca futura è quello di approfondire il problema dell’arco di Fermi per i conduttori”. “La dissomiglianza del superossido di rame è sulla stessa linea, ma in modo più approfondito, e abbiamo già alcuni risultati promettenti e stiamo lavorando al prossimo articolo”.

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