MIT-fysici hebben met lasers zitten porren in een kwantummateriaal, en wat ze ontdekten is dat elektronen zich op twee heel verschillende manieren kunnen reorganiseren - de ene soepel als verdampend water, de andere klonterig als bevriezend ijs. De studie, gepubliceerd in Nature Physics, werpt licht op hoe meerdere elektronische fasen naast elkaar kunnen bestaan in hetzelfde materiaal, wat ons op een dag zou kunnen helpen betere kwantumapparaten te bouwen en, je weet wel, misschien silicium te vervangen.

"Mensen geloven dat de hoeksteen van het vervangen van silicium ligt in kwantummaterialen met meerdere naast elkaar bestaande fasen," zegt co-auteur Alfred Zong PhD '20, nu assistent-professor aan Stanford University. "Ons experiment biedt een zeer nette manier om deze meerdere fasen te bestuderen."

De onderzoekers, onder leiding van Nuh Gedik, de Donner Professor of Physics aan MIT, onderzochten erbiumtritelluride, een zeldzaam-aardmateriaal met een serieuze elektronische houding. Bij normale omstandigheden zijn elektronen gelijkmatig verspreid, maar koel het af en ze beginnen een golfvormige rangschikking te vormen, een zogenaamde ladingsdichtheidsgolf (CDW). Koel het nog verder, en er verschijnt een tweede golf loodrecht op de eerste, waardoor een schaakbord op atomaire schaal ontstaat waar elke schaakgrootmeester jaloers op zou zijn.

Het team slaagde erin de twee fasen te scheiden en te zien hoe elk zich vormt. De eerste fase, de 'dominante', verschijnt geleidelijk over het materiaal, als water dat in damp verandert. De tweede, 'subdominante' fase begint echter in geïsoleerde zakjes en breidt zich naar buiten uit, net als ijskristallen die zich vormen in je drankje. Dit verschil is essentieel: de eerste is een textbook tweede-orde overgang, terwijl de tweede een eerste-orde overgang is, en dat is een verrassing.

"Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het ontstaan van deze tweede fase is lang bediscussieerd, en onze aanpak biedt een krachtige nieuwe manier om de verborgen fysica achter faseovergangen in kwantummaterialen bloot te leggen," zegt Gedik.

Het experiment was een klassieke 'schudden en luisteren' routine. Het team koelde atomair dunne monsters van erbiumtritelluride tot ongeveer -230 graden Celsius, en beschoot ze vervolgens met twee laserpulsen. De eerste puls 'schudde' het systeem, waardoor het elektronische schaakbord uit elkaar viel, en de tweede puls nam snapshots van hoe de elektronen zich in de loop van de tijd herstelden. De dominante golf kwam soepel terug, hoe hard ze ook sloegen, maar de subdominante golf groeide uit verspreide zaadjes, als ijskristallen die zich vormen in onderkoeld water.

Dit gedrag werd niet verwacht, en het identificeert eindelijk het lang bediscussieerde mechanisme achter de tweede CDW-fase. En hoewel erbiumtritelluride op zichzelf cool is, is de echte prijs het begrijpen van complexere materialen zoals hogetemperatuursupergeleiders, waar meerdere fasen (magnetisme, supergeleiding, CDW's) allemaal naast elkaar bestaan en interageren.

"In systemen die veel complexer zijn, zoals hogetemperatuursupergeleiders, zie je dat er meerdere fasen zijn - magnetisme, supergeleiding, ladingsdichtheidsgolven, en ze bestaan allemaal samen," zegt Gedik. "Een van de theorieën is dat de manier waarop ze met elkaar interageren de sleutel is voor hun exotische eigenschappen. De lessen die we hier leren, kunnen worden toegepast op veel complexere materialen."

Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, de Amerikaanse National Science Foundation, en de Gordon and Betty Moore Foundation's EPiQS Initiative subsidie. Materialen geleverd door het Massachusetts Institute of Technology. Origineel geschreven door Jennifer Chu. Opmerking: Inhoud kan zijn bewerkt voor stijl en lengte.