幾何学的対称性の限界を超える超縮退電子状態のためのナノ材料設計

球状原子は最も高い幾何学的対称性を持つ。この対称性により、原子軌道は高度に縮退し、閉殻安定性と磁性をもたらす。幾何学的制約により、これ以上の縮退度を持つ物質は知られていない。ここで、特定の四面体構造を持つ現実的なマグネシウム、亜鉛、およびカドミウムクラスターが球状対称性よりも異常に高い縮退度を持つことを提案する。密度汎関数理論計算と単純なタイトバインディングモデルを組み合わせることで、これらの縮退は動的対称性に起因することを示す。この縮退条件は、原子間パラメータに関する優雅な数学的シーケンスとして完全に特定される。動的対称性の導入は、超縮退軌道を持つ新しいカテゴリの物質の発見につながるであろう。

Spherical atoms have the highest geometrical symmetry. Due to this symmetry, atomic orbitals are highly degenerate, leading to closed-shell stability and magnetism. No substances with greater degrees of degeneracy are known, due to geometrical limitations. We now propose that realistic magnesium, zinc, and cadmium clusters having a specific tetrahedral framework possess anomalous higher-fold degeneracies than spherical symmetry. Combining density functional theory calculations with simple tight-binding models, we demonstrate that these degeneracies can be attributed to dynamical symmetry. The degeneracy condition is fully identified as an elegant mathematical sequence involving interatomic parameters. The introduction of dynamical symmetry will lead to the discovery of a novel category of substances with super-degenerate orbitals.