MITの物理学者たちは、レーザーで量子材料を突いてみたところ、電子が蒸発する水のように滑らかな方法と、凍る氷のようにゴツゴツした方法の、2つの非常に異なる方法で自己組織化できることを発見した。この研究はNature Physicsに掲載され、同じ材料内で複数の電子相が共存できる方法に光を当てるもので、いつかより良い量子デバイスの構築や、シリコンの代替に役立つかもしれない。

「シリコンを置き換えるための礎は、複数の共存相を持つ量子材料にあると信じられています」と、共著者でスタンフォード大学助教授のAlfred Zong博士（'20）は言う。「私たちの実験は、これらの複数の相を研究するための非常に巧妙な方法を提供します」。

MITのDonner物理学教授であるNuh Gedikが率いる研究者たちは、深刻な電子の態度を持つ希土類材料であるエルビウムトリテルライドを調査した。通常の条件下では、電子は均等に広がっているが、冷却すると電荷密度波（CDW）と呼ばれる波状の配置を形成し始める。さらに冷却すると、最初の波に垂直な2番目の波が現れ、原子スケールのチェッカーボードを作り出す。これはどんなチェスのグランドマスターも嫉妬するだろう。

チームは2つの相を分離し、それぞれがどのように形成されるかを観察することに成功した。最初の「支配的な」相は、水が蒸気に変わるように、材料全体に徐々に現れる。しかし、2番目の「従属的な」相は、孤立したポケットから始まり、飲み物の中で氷の結晶が形成されるように外側に広がる。この違いが鍵である：最初は教科書的な二次転移であり、2番目は一次転移であり、これは驚きである。

「この2番目の相の出現の背後にあるメカニズムは長い間議論されてきましたが、私たちのアプローチは、量子材料の相転移の背後にある隠された物理学を明らかにする強力な新しい方法を提供します」とGedikは言う。

実験は古典的な「振って聞く」ルーチンだった。チームはエルビウムトリテルライドの原子薄膜を約-230℃に冷却し、2つのレーザーパルスで照射した。最初のパルスはシステムを「振って」電子チェッカーボードを破壊し、2番目のパルスは電子が時間とともにどのように回復するかのスナップショットを撮った。支配的な波は、どれだけ強く叩いても滑らかに跳ね返ったが、従属的な波は、過冷却水中で氷の結晶が形成されるように、散在する種から成長した。

この挙動は予想されておらず、ついに2番目のCDW相の背後にある長く議論されてきたメカニズムを特定した。そして、エルビウムトリテルライドはそれ自体がクールであるが、本当の賞品は、磁性、超伝導、CDWなどの複数の相が共存し相互作用する高温超伝導体のようなより複雑な材料を理解することである。

「高温超伝導体のようなはるかに複雑なシステムでは、磁性、超伝導、電荷密度波など、複数の相が存在し、それらがすべて共存しているのを見ます」とGedikは言う。「それらが互いに相互作用する方法が、それらのエキゾチックな特性の鍵であるという理論の1つがあります。ここで学んだ教訓は、はるかに複雑な材料に適用できます」。

この研究は、米国エネルギー省、米国国立科学財団、およびゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団のEPiQSイニシアチブ助成金によって支援された。資料はマサチューセッツ工科大学によって提供された。元の記事はJennifer Chuによって書かれた。注：内容はスタイルと長さのために編集される場合がある。