MIT fizikçileri bir kuantum malzemeyi lazerlerle dürtüyor ve elektronların kendilerini iki farklı şekilde yeniden organize edebildiklerini keşfediyor: biri buharlaşan su gibi pürüzsüz, diğeri donan buz gibi topak topak. Nature Physics'te yayımlanan çalışma, aynı malzemede birden fazla elektronik fazın nasıl bir arada bulunabileceğine ışık tutuyor ve bu da bir gün daha iyi kuantum cihazları yapmamıza ve, bilirsiniz, belki silikonun yerini almamıza yardımcı olabilir.

"İnsanlar silikonun yerini almanın temel taşının birden fazla fazın bir arada bulunduğu kuantum malzemeler olduğuna inanıyor," diyor eş yazar Alfred Zong PhD '20, şu anda Stanford Üniversitesi'nde yardımcı doçent. "Deneyimiz bu çoklu fazları incelemek için çok temiz bir yol sağlıyor."

MIT'de Donner Fizik Profesörü olan Nuh Gedik liderliğindeki araştırmacılar, ciddi bir elektronik tavrı olan bir nadir toprak malzemesi olan erbiyum tritellüriti incelediler. Sıradan koşullarda elektronlar eşit şekilde dağılır, ancak soğutulduğunda yük yoğunluğu dalgası (YYD) adı verilen dalga şeklinde bir düzen oluşturmaya başlarlar. Daha da soğutulduğunda, birinciye dik ikinci bir dalga belirir ve herhangi bir satranç büyükustasını kıskandıracak atomik ölçekte bir dama tahtası oluşturur.

Ekip iki fazı ayırmayı başardı ve her birinin nasıl oluştuğunu izledi. 'Baskın' olan ilk faz, malzeme genelinde suyun buhara dönüşmesi gibi kademeli olarak belirir. Ancak 'baskın olmayan' ikinci faz, izole bölgelerde başlar ve içeceğinizde buz kristallerinin oluşması gibi dışa doğru genişler. Bu fark kilit öneme sahip: ilki bir ders kitabı ikinci dereceden geçişken, ikincisi birinci dereceden bir geçiş ve bu bir sürpriz.

"Bu ikinci fazın ortaya çıkmasından sorumlu mekanizma uzun süredir tartışılıyordu ve yaklaşımımız kuantum malzemelerdeki faz geçişlerinin ardındaki gizli fiziği ortaya çıkarmak için güçlü bir yeni yol sağlıyor," diyor Gedik.

Deney klasik bir 'salla ve dinle' rutiniydi. Ekip, erbiyum tritellüritin atomik olarak ince örneklerini yaklaşık -230 santigrat dereceye soğuttu ve ardından iki lazer darbesiyle vurdu. İlk darbe sistemi 'sallayarak' elektronik dama tahtasını parçaladı ve ikinci darbe elektronların zamanla nasıl toparlandığının anlık görüntülerini aldı. Baskın dalga, ne kadar sert vururlarsa vursunlar pürüzsüz bir şekilde geri sıçradı, ancak baskın olmayan dalga, aşırı soğutulmuş suda buz kristallerinin oluşması gibi dağınık tohumlardan büyüdü.

Bu davranış beklenmiyordu ve sonunda ikinci YYD fazının arkasındaki uzun süredir tartışılan mekanizmayı tanımlıyor. Erbiyum tritellürit kendi başına havalı olsa da, asıl ödül, manyetizma, süperiletkenlik ve YYD'ler gibi birden fazla fazın bir arada bulunduğu ve etkileşime girdiği yüksek sıcaklık süperiletkenleri gibi daha karmaşık malzemeleri anlamaktır.

"Yüksek sıcaklık süperiletkenleri gibi çok daha karmaşık sistemlerde, birden fazla faz olduğunu görüyorsunuz - manyetizma, süperiletkenlik, yük yoğunluğu dalgaları - ve hepsi bir arada var," diyor Gedik. "Teorilerden biri, birbirleriyle etkileşme biçimlerinin egzotik özellikleri için anahtar olduğu yönünde. Burada öğrendiğimiz dersler çok daha karmaşık malzemelere uygulanabilir."

Araştırma ABD Enerji Bakanlığı, ABD Ulusal Bilim Vakfı ve Gordon ve Betty Moore Vakfı'nın EPiQS Girişimi hibesi tarafından desteklendi. Materyaller Massachusetts Teknoloji Enstitüsü tarafından sağlandı. Orijinal metin Jennifer Chu tarafından yazıldı. Not: İçerik stil ve uzunluk için düzenlenmiş olabilir.