MIT的物理学家们一直在用激光戳量子材料，他们发现电子可以以两种截然不同的方式重新组织自己——一种像水蒸发一样平滑，另一种像冰冻结一样块状。这项发表在《自然物理学》上的研究揭示了多种电子相如何在同一材料中共存，这可能有一天帮助我们制造更好的量子器件，并且，你知道，也许能取代硅。

“人们相信取代硅的基石在于具有多种共存相的量子材料，”合著者Alfred Zong博士（20届）说，他现在是斯坦福大学的助理教授。“我们的实验提供了一种非常简洁的方法来研究这些多相。”

由MIT唐纳物理学教授Nuh Gedik领导的研究人员研究了三碲化铒，一种具有严重电子态度的稀土材料。在普通条件下，电子均匀分布，但冷却后，它们开始形成称为电荷密度波（CDW）的波浪形排列。再冷却一点，第二个波垂直于第一个波出现，形成一个原子尺度的棋盘格，任何国际象棋大师都会嫉妒。

该团队设法分离了两个相，并观察了每个相的形成过程。第一个相，即“主导”相，逐渐出现在整个材料中，就像水变成蒸汽一样。然而，第二个“次主导”相从孤立的区域开始，向外扩展，就像饮料中形成冰晶一样。这种差异是关键：第一个是教科书式的二级相变，而第二个是一级相变，这是一个惊喜。

“负责第二个相出现的机制长期以来一直存在争议，我们的方法提供了一种强大的新方法来揭示量子材料相变背后的隐藏物理，”Gedik说。

实验是经典的“摇一摇，听一听”程序。团队将原子级薄的三碲化铒样品冷却到约-230摄氏度，然后用两个激光脉冲照射它们。第一个脉冲“摇动”系统，打破电子棋盘格，第二个脉冲则拍摄电子随时间恢复的快照。主导波无论怎么打击都能平滑地反弹，但次主导波从分散的种子中生长，就像过冷水中形成冰晶一样。

这种行为是出乎意料的，它最终确定了第二个CDW相背后长期争论的机制。虽然三碲化铒本身很酷，但真正的奖品是理解更复杂的材料，如高温超导体，其中多个相（磁性、超导性、CDW）共存并相互作用。

“在更复杂的系统中，比如高温超导体，你会看到有多个相——磁性、超导性、电荷密度波，它们都共存，”Gedik说。“一种理论是它们相互作用的方式是其奇异性质的关键。我们在这里学到的经验可以应用于更复杂的材料。”

这项研究得到了美国能源部、美国国家科学基金会以及Gordon和Betty Moore基金会EPiQS计划资助。材料由麻省理工学院提供。原文由Jennifer Chu撰写。注意：内容可能因风格和长度而编辑。