MIT-fysiker har petat på ett kvantmaterial med lasrar, och vad de fann är att elektroner kan omorganisera sig på två mycket olika sätt - ett jämnt som avdunstande vatten, det andra klumpigt som frysande is. Studien, publicerad i Nature Physics, belyser hur flera elektroniska faser kan samexistera i samma material, vilket en dag skulle kunna hjälpa oss att bygga bättre kvantanordningar och, du vet, kanske ersätta kisel.
"Människor tror att hörnstenen för att ersätta kisel ligger i kvantmaterial som har flera samexisterande faser," säger medförfattaren Alfred Zong PhD '20, nu biträdande professor vid Stanford University. "Vårt experiment ger ett mycket elegant sätt att studera dessa flera faser."
Forskarna, ledda av Nuh Gedik, Donner-professor i fysik vid MIT, undersökte erbiumtritellurid, ett sällsynt jordartsmaterial med en allvarlig elektronisk attityd. Under vanliga förhållanden är elektronerna jämnt spridda, men kyler man ner det börjar de bilda en vågformad anordning som kallas en laddningstäthetsvåg (CDW). Kyler man ännu mer, uppträder en andra våg vinkelrätt mot den första, vilket skapar ett schackbräde i atomskala som skulle göra vilken schackmästare som helst avundsjuk.
Teamet lyckades separera de två faserna och observera hur var och en bildas. Den första fasen, den "dominerande", uppträder gradvis över materialet, som vatten som förvandlas till ånga. Den andra, "subdominerande" fasen, börjar däremot i isolerade fickor och expanderar utåt, precis som iskristaller som bildas i din drink. Denna skillnad är nyckeln: den första är en klassisk andra ordningens övergång, medan den andra är en första ordningens övergång, och det är en överraskning.
"Mekanismen bakom uppkomsten av denna andra fas har länge debatterats, och vår metod ger ett kraftfullt nytt sätt att avslöja den dolda fysiken bakom fasövergångar i kvantmaterial," säger Gedik.
Experimentet var en klassisk "skaka och lyssna"-rutin. Teamet kylde atomärt tunna prover av erbiumtritellurid till cirka -230 grader Celsius, och skickade sedan två laserpulser mot dem. Den första pulsen "skakade" systemet, bröt sönder det elektroniska schackbrädet, och den andra pulsen tog ögonblicksbilder av hur elektronerna återhämtade sig över tid. Den dominerande vågen studsade tillbaka jämnt oavsett hur hårt de slog, men den subdominerande vågen växte från spridda frön, som iskristaller som bildas i underkylt vatten.
Detta beteende var inte förväntat, och det identifierar äntligen den länge debatterade mekanismen bakom den andra CDW-fasen. Och även om erbiumtritellurid är cool i sin egen rätt, är det verkliga priset att förstå mer komplexa material som högtemperatursupraledare, där flera faser (magnetism, supraledning, CDW) alla samexisterar och interagerar.
"I system som är mycket mer komplexa, som högtemperatursupraledare, ser man att det finns flera faser - magnetism, supraledning, laddningstäthetsvågor - och de existerar alla tillsammans," säger Gedik. "En av teorierna är att sättet de interagerar med varandra på är nyckeln till deras exotiska egenskaper. Lärdomarna vi får här kan tillämpas på mycket mer komplexa material."
Forskningen stöddes av U.S. Department of Energy, U.S. National Science Foundation och Gordon and Betty Moore Foundations EPiQS Initiative-anslag. Material tillhandahållet av Massachusetts Institute of Technology. Original skrivet av Jennifer Chu. Observera: Innehåll kan ha redigerats för stil och längd.