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。

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

“这是一个非常基本的结果，所以很难预测可能会或可能不会产生什么，但可能性是令人兴奋的，”SLAC /斯坦福大学教授兼SIMES主任Harold Hwang说。

“根据我们团队成员的理论建模，看起来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，”他说。这些正是科学家认为赋予量子材料惊人特征的一些特性。

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演示，就像具有均匀分布的地板的高层建筑一样。

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。

就像一个沿着地面滚动的球会停止并落在低点一样，电子会寻找并占据原子电子轨道中能量状态最低的空位。但有时有两个能量同样低的空缺。然后呢?

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，在最低能量状态下只留下一个空位，解决电子的问题，Hwang说。

当整个晶格由JT离子组成时，在某些情况下整体晶体结构会扭曲，因此所有离子的电子困境都是协同解决的。

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和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效应已经用于单分子和由八面体或四面体结构排列的离子组成的3D晶体材料。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 - 导致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研究人员将钴，钙和氧(CaCoO)制成的材料变成了一种由钴，钙和氧制成的材料。2.5)，具有不同的八面体和四面体层堆叠，被称为褐米勒石，成层状材料(CaCoO2)，JT效应可能站稳脚跟。几年前，他们用SIMES开发的化学技巧来制造第一个氧化镍超导体。

拔出积木

Kim合成了一层褐米勒石薄膜，并从其晶格中化学去除了单层氧原子，就像玩家小心翼翼地从积木塔上移除积木一样。晶格坍塌并沉降成平坦的平面结构，交替层包含带负电荷的钴离子(JT离子)和带正电荷的钙离子。

每个钴离子都试图从其上方和下方的层中拉出钙离子，Kim说。

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

Hwang说，研究小组将使用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。“我们也想知道如果我们能够掺杂这种材料会发生什么 - 用其他原子替换一些原子以改变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。