Fizycy z MIT szturchali materiał kwantowy laserami i odkryli, że elektrony potrafią reorganizować się na dwa bardzo różne sposoby - jeden gładki jak parująca woda, drugi grudkowaty jak zamarzający lód. Badanie opublikowane w Nature Physics rzuca światło na to, jak wiele faz elektronicznych może współistnieć w tym samym materiale, co kiedyś może pomóc nam zbudować lepsze urządzenia kwantowe i, no wiecie, może zastąpić krzem.

"Ludzie wierzą, że kamieniem węgielnym zastąpienia krzemu są materiały kwantowe z wieloma współistniejącymi fazami" - mówi współautor Alfred Zong PhD '20, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Stanforda. "Nasz eksperyment dostarcza bardzo eleganckiego sposobu badania tych wielu faz."

Naukowcy pod kierownictwem Nuha Gedika, profesora fizyki na MIT (Donner Professor), badali erb tritellurku, materiał z pierwiastków ziem rzadkich o poważnym elektronicznym charakterze. W zwykłych warunkach elektrony są rozłożone równomiernie, ale po ochłodzeniu zaczynają tworzyć falisty układ zwany falą gęstości ładunku (CDW). Ochłodź jeszcze bardziej, a pojawi się druga fala prostopadła do pierwszej, tworząc szachownicę w skali atomowej, która wprawiłaby w zazdrość niejednego arcymistrza szachowego.

Zespołowi udało się rozdzielić te dwie fazy i obserwować, jak każda się tworzy. Pierwsza faza, "dominująca", pojawia się stopniowo w całym materiale, jak woda zamieniająca się w parę. Druga, "subdominująca" faza, zaczyna się w izolowanych kieszeniach i rozszerza się na zewnątrz, podobnie jak kryształki lodu tworzące się w twoim napoju. Ta różnica jest kluczowa: pierwsza to podręcznikowe przejście drugiego rzędu, a druga to przejście pierwszego rzędu, co jest zaskoczeniem.

"Mechanizm odpowiedzialny za pojawienie się tej drugiej fazy był długo dyskutowany, a nasze podejście dostarcza potężnej nowej metody odkrywania ukrytej fizyki stojącej za przejściami fazowymi w materiałach kwantowych" - mówi Gedik.

Eksperyment był klasyczną rutyną 'potrząśnij i posłuchaj'. Zespół schłodził atomowo cienkie próbki erbu tritellurku do około -230 stopni Celsjusza, a następnie postrzelił je dwoma impulsami laserowymi. Pierwszy impuls 'wstrząsnął' systemem, rozbijając elektroniczną szachownicę, a drugi robił zdjęcia, jak elektrony wracają do siebie w czasie. Fala dominująca wracała gładko, niezależnie od siły uderzenia, ale fala subdominująca wyrastała z rozproszonych zarodków, jak kryształki lodu w przechłodzonej wodzie.

To zachowanie nie było oczekiwane i w końcu identyfikuje długo dyskutowany mechanizm stojący za drugą fazą CDW. I chociaż erb tritellurek jest fajny sam w sobie, prawdziwą nagrodą jest zrozumienie bardziej złożonych materiałów, takich jak wysokotemperaturowe nadprzewodniki, gdzie wiele faz (magnetyzm, nadprzewodnictwo, CDW) współistnieje i oddziałuje.

"W systemach znacznie bardziej złożonych, jak wysokotemperaturowe nadprzewodniki, widzisz, że istnieje wiele faz - magnetyzm, nadprzewodnictwo, fale gęstości ładunku - i wszystkie istnieją razem" - mówi Gedik. "Jedna z teorii głosi, że sposób, w jaki oddziałują ze sobą, jest kluczem do ich egzotycznych właściwości. Lekcje, których się tu uczymy, można zastosować do znacznie bardziej złożonych materiałów."

Badania były wspierane przez Departament Energii USA, Narodową Fundację Nauki USA oraz grant Inicjatywy EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore. Materiały dostarczone przez Massachusetts Institute of Technology. Oryginał napisany przez Jennifer Chu. Uwaga: Treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.