MIT-Physiker beobachten, wie sich Elektronen in einem Quantenmaterial wie winzige Eiswürfel wiederaufbauen

MIT-Physiker haben mit Lasern an einem Quantenmaterial herumgestochert und dabei herausgefunden, dass sich Elektronen auf zwei verschiedene Arten neu organisieren können – eine glatt wie verdunstendes Wasser, die andere klumpig wie gefrierendes Eis. Die in Nature Physics veröffentlichte Studie beleuchtet, wie mehrere elektronische Phasen im selben Material koexistieren können, was uns eines Tages helfen könnte, bessere Quantengeräte zu bauen und, na ja, vielleicht Silizium zu ersetzen.

„Man glaubt, dass der Eckpfeiler für die Ablösung von Silizium in Quantenmaterialien liegt, die mehrere koexistierende Phasen haben“, sagt Co-Autor Alfred Zong PhD '20, jetzt Assistenzprofessor an der Stanford University. „Unser Experiment bietet eine sehr elegante Möglichkeit, diese mehreren Phasen zu untersuchen.“

Die Forscher unter der Leitung von Nuh Gedik, Donner-Professor für Physik am MIT, untersuchten Erbiumtritellurid, ein Seltenerd-Material mit einer ernsthaften elektronischen Attitüde. Unter normalen Bedingungen sind die Elektronen gleichmäßig verteilt, aber kühlt man es ab, beginnen sie eine wellenförmige Anordnung zu bilden, die als Ladungsdichtewelle (CDW) bezeichnet wird. Kühlt man es noch weiter ab, erscheint eine zweite Welle senkrecht zur ersten, die ein atomares Schachbrettmuster erzeugt, das jeden Schachgroßmeister neidisch machen würde.

Das Team konnte die beiden Phasen trennen und beobachten, wie sich jede bildet. Die erste Phase, die „dominante“, erscheint allmählich über das gesamte Material, wie Wasser, das zu Dampf wird. Die zweite, „subdominante“ Phase hingegen beginnt in isolierten Taschen und breitet sich nach außen aus, genau wie Eiskristalle, die sich in deinem Getränk bilden. Dieser Unterschied ist entscheidend: Die erste ist ein klassischer Übergang zweiter Ordnung, während die zweite ein Übergang erster Ordnung ist – und das ist eine Überraschung.

„Der Mechanismus, der für das Auftreten dieser zweiten Phase verantwortlich ist, wurde lange debattiert, und unser Ansatz bietet eine leistungsstarke neue Möglichkeit, die verborgene Physik hinter Phasenübergängen in Quantenmaterialien aufzudecken“, sagt Gedik.

Das Experiment war eine klassische „Schüttel-und-Horchen“-Routine. Das Team kühlte atomar dünne Proben von Erbiumtritellurid auf etwa -230 Grad Celsius ab und beschoss sie dann mit zwei Laserpulsen. Der erste Puls „schüttelte“ das System und zerbrach das elektronische Schachbrettmuster, während der zweite Puls Schnappschüsse davon machte, wie sich die Elektronen im Laufe der Zeit erholten. Die dominante Welle kehrte unabhängig von der Stärke des Schlags sanft zurück, aber die subdominante Welle wuchs aus verstreuten Keimen, wie Eiskristalle, die sich in unterkühltem Wasser bilden.

Dieses Verhalten war nicht erwartet worden und identifiziert schließlich den lange debattierten Mechanismus hinter der zweiten CDW-Phase. Und obwohl Erbiumtritellurid für sich genommen cool ist, liegt der eigentliche Preis darin, komplexere Materialien wie Hochtemperatur-Supraleiter zu verstehen, in denen mehrere Phasen (Magnetismus, Supraleitung, CDWs) koexistieren und interagieren.

„In viel komplexeren Systemen wie Hochtemperatur-Supraleitern sieht man, dass es mehrere Phasen gibt – Magnetismus, Supraleitung, Ladungsdichtewellen – und sie existieren alle zusammen“, sagt Gedik. „Eine der Theorien besagt, dass die Art und Weise, wie sie miteinander interagieren, der Schlüssel zu ihren exotischen Eigenschaften ist. Die Lehren, die wir hier ziehen, können auf viel komplexere Materialien angewendet werden.“

Die Forschung wurde vom US-Energieministerium, der US-amerikanischen National Science Foundation und der Gordon and Betty Moore Foundation im Rahmen des EPiQS-Initiative-Zuschusses unterstützt. Materialien wurden vom Massachusetts Institute of Technology bereitgestellt. Original verfasst von Jennifer Chu. Hinweis: Inhalt kann aus Gründen des Stils und der Länge bearbeitet worden sein.