Дълго време считан за масов пренос на заряд, сегашният резултат се оказа оптична илюзия. Новите изчисления променят всичко.
Физици и инженери от университета „Корнел“ разкриха, че в сложни квантови материали електроните не „прескачат“ между слоевете. Те остават там, където първоначално са били. Екипът разработи иновативен метод за изчисления, който проследява движението на електроните в многослойни кристали.
Изучаваните материали са известни като несъизмерими یا misfit. При тях кристалните решетки на различните слоеве не съвпадат. Можем да си представим две LEGO конструкции: едната е на квадратна решетка, а другата – на шестоъгълна. Външно изглежда като цялостна структура, но в атомен мащаб слоевете не се свързват идеално. Тези структури се считат за обещаващо поле за изследване на необичайни квантови ефекти, вкл. свръхпроводимост.
Досега се предполагаше, че силните размествания на енергийните зони показват пренос на електрони между слоевете. Изчисленията на изследователите от „Корнел“ обаче разкриха различна картина. Те установиха, че химическите връзки на границата между слоевете карат електроните да се преразпределят. Така се увеличава броят на високоенергийните електрони, докато реалното движение между слоевете остава минимално.
„Това е важен клас материали, който сега се опитваме да разберем,“
коментира ръководителят на изследването, професор Томас Ариас.
Той добавя, че неправилните структури предоставят идеална среда за тест на новия изчислителен метод. Този метод се основава на идеята, че електроните реагират най-вече на непосредственото си обкръжение. На микроскопично ниво електронът може да бъде описан като вълна, която се разпространява в кристала. Много от тези вълни обаче взаимно се анулират. Следователно, местната среда става критична за поведението на електроните.
Аспирантът Дрейк Неджелски прилага новия изчислителен подход на несъизмерими слоести системи, включващи редкоземна сол и хексагонални материали.
Експериментите показаха увеличение на високоенергийните електрони в хексагоналния слой. Това обикновено се интерпретираше като знак за голям пренос на заряд. Но прецизните изчисления на Неджелски показаха, че действителният пренос е около шест пъти по-малък. Повечето електрони просто пренареждали разпределението си, почти без да напускат „родната“ равнина.
За изчисленията съществена роля играят микроскопските изображения на образците. Групата на Лена Куркутис е направила детайлно изследване на структурата на материалите. Това позволи надеждно определяне на позицията на атомите и ускоряване на изчисленията. Методът, наречен MINT-Sandwich, принадлежи към класа на ab initio подходите и предоставя достъп до електронните структури на материали, считани за твърде сложни за директно изчисление.
Изследователите подчертават, че „изчислителният експеримент“ предлага данни, равнозначни на контролирани лабораторни измервания. Той се утвърджава като трети независим източник на информация, наред с теорията и експеримента. Това е важно не само за проверка на предишни теории, но и за проектиране на нови квантови материали, особено тези с необичайни електронни свойства и устройства за ефективно електрическо охлаждане.