Физики из Массачусетского технологического института (MIT) тыкали лазерами в квантовый материал и обнаружили, что электроны могут перестраиваться двумя совершенно разными способами — один плавный, как испаряющаяся вода, другой комковатый, как замерзающий лед. Исследование, опубликованное в Nature Physics, проливает свет на то, как несколько электронных фаз могут сосуществовать в одном материале, что однажды может помочь нам создавать лучшие квантовые устройства и, знаете, возможно, заменить кремний.

«Люди считают, что краеугольный камень замены кремния лежит в квантовых материалах с несколькими сосуществующими фазами», — говорит соавтор Альфред Цунг, доктор философии '20, ныне доцент Стэнфордского университета. «Наш эксперимент дает очень изящный способ изучения этих множественных фаз».

Исследователи под руководством Нуха Гедика, профессора физики Доннера в MIT, изучали трителлурид эрбия — редкоземельный материал с серьезным электронным характером. В обычных условиях электроны распределены равномерно, но при охлаждении они начинают формировать волнообразное расположение, называемое волной зарядовой плотности (ВЗП). При дальнейшем охлаждении появляется вторая волна, перпендикулярная первой, создавая атомный шахматный узор, который заставил бы позавидовать любого гроссмейстера.

Команде удалось разделить две фазы и наблюдать, как формируется каждая из них. Первая фаза, «доминирующая», появляется постепенно по всему материалу, как вода, превращающаяся в пар. Вторая, «субдоминантная» фаза, однако, начинается в изолированных карманах и расширяется наружу, как кристаллы льда, образующиеся в вашем напитке. Эта разница ключевая: первая — это классический переход второго рода, а вторая — переход первого рода, и это сюрприз.

«Механизм, ответственный за возникновение этой второй фазы, долго обсуждался, и наш подход дает мощный новый способ раскрыть скрытую физику фазовых переходов в квантовых материалах», — говорит Гедик.

Эксперимент был классической рутиной «встряхни и слушай». Команда охладила атомарно тонкие образцы трителлурида эрбия до примерно -230 градусов Цельсия, затем облучила их двумя лазерными импульсами. Первый импульс «встряхнул» систему, разрушив электронную шахматную доску, а второй импульс сделал снимки того, как электроны восстанавливались со временем. Доминирующая волна возвращалась плавно, независимо от того, насколько сильно по ней ударяли, но субдоминантная волна росла из рассеянных зародышей, как кристаллы льда, образующиеся в переохлажденной воде.

Такое поведение не ожидалось, и оно наконец идентифицирует долго обсуждаемый механизм, стоящий за второй фазой ВЗП. И хотя трителлурид эрбия сам по себе крут, настоящая награда — понимание более сложных материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, где несколько фаз (магнетизм, сверхпроводимость, ВЗП) сосуществуют и взаимодействуют.

«В гораздо более сложных системах, таких как высокотемпературные сверхпроводники, вы видите, что существует несколько фаз — магнетизм, сверхпроводимость, волны зарядовой плотности, и все они существуют вместе», — говорит Гедик. «Одна из теорий состоит в том, что способ их взаимодействия друг с другом является ключом к их экзотическим свойствам. Уроки, которые мы извлекаем здесь, могут быть применены к гораздо более сложным материалам».

Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Национальным научным фондом США и грантом EPiQS Initiative фонда Гордона и Бетти Мур. Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом. Оригинал написан Дженнифер Чу. Примечание: Содержание может быть отредактировано по стилю и длине.