Иллюстрация экспериментальной концепции, показывающая, как исследователи изучают фазы квантового материала. На заднем плане однородные синие полосы представляют собой заметный порядок, а пятно красных полос — фазу субдоминантного порядка. Красные и фиолетовые лучи — это соответственно «накачивающие» и «зондирующие» лазерные лучи. Белые частицы — это фотоэмитированные электроны, из которых исследователи считывают информацию о фазовом переходе. 1 кредит
Привычный стакан с ледяной водой служит наглядной иллюстрацией того, как одно и то же вещество может пребывать одновременно в двух агрегатных состояниях: жидком и твердом. Похожие явления наблюдаются и в некоторых квантовых материалах, однако там сосуществование разнородных электронных фаз устроено значительно сложнее.
Физики Массачусетского технологического института обнародовали новые данные о том, каким образом в одном квантовом материале могут формироваться две различные формы организации электронов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Полученные результаты способны углубить понимание веществ, проявляющих сверхпроводимость, магнетизм и иные электронные фазы. Разобравшись в том, как взаимодействуют и ориентируются такие фазы, ученые смогут получить более тонкий контроль над электронными процессами и продвинуться в создании мощных квантовых устройств.
Как отмечает соавтор работы Альфред Зонг (PhD ’20), возглавлявший исследование еще в бытность аспирантом Массачусетского технологического института, а ныне занимающий должность доцента Стэнфордского университета, многие специалисты полагают, что именно квантовые материалы с несколькими сосуществующими фазами могут стать краеугольным камнем, способным заменить кремний. «Наш эксперимент дает очень удобный инструмент для изучения этой региональной фазы», — подчеркивает Зонг.
Ход исследования
Руководитель проекта Нух Гедик, профессор физики Доннера в MIT, совместно с коллегами сосредоточился на трителлуриде эрбия — редкоземельном соединении, отличающемся необычным поведением электронов. В нормальных условиях электроны в этом материале распределены относительно однородно, но при охлаждении до определенной температуры они самопроизвольно выстраиваются в волнообразную структуру, известную как фаза волны зарядовой плотности (CDW).
При дальнейшем нагревании материала возникает вторая волна, сопровождающая первую. Совместно эти две электронные фазы формируют узор, который исследователи сравнивают с шахматной доской в атомном масштабе. Гедику и его группе удалось проследить за тем, как возникают обе фазы, причем их поведение оказалось принципиально различным.
Первая фаза проступала в материале постепенно, подобно тому как жидкая вода медленно переходит в пар. Такая картина согласуется с традиционными представлениями о протекании электронных фазовых переходов. Вторая же фаза вела себя иначе: она зарождалась в отдельных изолированных областях, которые затем расширялись, напоминая процесс образования кристаллов льда в жидкой воде.
«Механизм, отвечающий за обособление этой второй фазы, давно вызывает споры. Наш подход позволяет вскрыть скрытую физику, лежащую в основе фазовых переходов в квантовых материалах», — поясняет Гедик.
В числе соавторов — первые авторы Ифань Су (PhD ’24) и Бай-Цин Л.в., бывший постдок; Донсунг Чой (С.М. ’17, PhD ’24); а также бывшие постдоки Дорон Азури и Масатака Моги. К работе присоединились сотрудники других научных учреждений.
Как строятся волны плотности заряда. Волна зарядовой плотности возникает, когда электрические заряды — в данном случае электроны — самопроизвольно организуются в периодическую волновую структуру. В областях гребней концентрация электронов выше, во впадинах — ниже. В ряде материалов такое упорядоченное состояние появляется лишь при экстремально низких температурах.
Изучение волн зарядовой плотности продолжается уже несколько десятилетий. В последнее время исследователи обнаружили их в материалах, где наблюдаются и более сложные формы коллективного электронного поведения, в частности магнетизм и сверхпроводимость, при которой электроны объединяются в пары и перемещаются без сопротивления.
Волны зарядовой плотности, как и сверхпроводимость, представляют собой коллективный феномен, при котором электроны движутся согласованно.
ий автор Ифань Су. «Сила ВЗП в том, что они представляли собой гораздо более простую форму материи по сравнению со сверхпроводимостью. Они предоставляют платформу для фундаментального понимания».
Исследователи хотели изучить материал, в котором одновременно существуют две фазы ВЗП. Понимание того, как тренд и сосуществуют две волны, может дать ключ к пониманию более сложных фазовых переходов, границ со сверхпроводимостью и другими необычными электронными состояниями.
«Один из самых больших вопросов физики заключается в том, почему некоторые материалы содержат несколько фаз, а другие — нет. А когда существует несколько фаз, как они взаимодействуют? Они усиливают друг друга, конкурируют или сосуществуют независимо?» — говорит Гедик. «Это своего рода тематическое исследование, позволяющее нам изучить гораздо более сложные материалы».
Использование лазеров для нарушений квантового порядка
Ученые уже знали, что трителлурид эрбия может содержать заряд двух разных веществ по плотности. Редкоземельный материал можно производить в лаборатории в виде атомно тонких листов, что позволит исследователям обнаружить его необычные свойства на квантовом уровне.
Ранее эксперименты показали, что первая волна зарядовой плотности при охлаждении трителлурида эрбия до -8 градусов Цельсия. Эта «доминирующая» волна распространяется через материал в одном направлении.
Когда температура упадет до -113 градусов по Цельсию, состоится второй «субдоминант»; Прочность зарядной волны расположите под углом к первой. Вместе эти два шаблона рисуют шахматную доску сосуществующих электронных фаз.
Для нового исследования Гедика хотела точно определить, как определить фазу фазы.
Исследователи получили небольшие, атомарные соединения трителлурида эрбия, созданные сотрудниками из Стэнфорда. В лаборатории Гедика они охладили кристаллы примерно до -230 градусов по Цельсию, чего достаточно для того, чтобы обе волны плотности заряда существовали одновременно в шахматном порядке.
Затем они разрушили или уничтожили этот электронный шаблон и наблюдали, как две волны повторялись.
В эксперименте использовались два тщательно рассчитанных по времени лазерных импульса.
«Вот как мы «встряхиваем», а затем «слушаем» систему», — сказал он. — говорит Гедик.
Первый лазерный импульсный обмен «встряской», т.е. разбивая электронную шахматную доску. Изменяя подачу импульса, исследователи могли контролировать, как известно, они сильно возмущают массы твердого заряда.
Второй импульс включил фотоны высокой энергии, затем выбил электроны из материала. Исследователи применили этот импульс через разные промежутки времени после первого и измерили энергию и импульс выброшенных электронов. Эти меры измерения серии кадров, указывающие на то, что электронные фазы управляются в течение определенного времени.
«Мы случайно разрушили эти фазы, а затем, если мы подождём достаточно долго, они возвращаются», — сказал он. Гедик сердце. «И в зависимости от того, как вы их наносите, две фазы реагируют по-разному».
Два очень разных канала пересобрать
Преобладающая волна плотности заряда возвращалась постепенно и постепенно, независимо от того, насколько сильно исследователи вначале разрушили материал.
Такое плавное восстановление считается учебником «второго порядка». фазовый переход. Это произошло на постепенную величину магнитного магнетизма по мере снижения его температуры.
Вторая волна плотного заряда преподнесла больший сюрприз.
Вместо того, чтобы начаться, субдоминантная фаза начала формироваться в разбросанных очагах. Затем эти области расширялись через материал, аналогичный кристаллам льда, растущим в жидкой воде.
Такое поведение соответствует менее распространенному варианту "первого порядка" переход и оказался не таким, как ожидали исследователи. Наблюдения за сохранением состава определяют давно обсуждаемый механизм, ответственный за появление субдоминантной фазы CDW.
Результаты могут иметь значение, выходящее далеко за рамки трителлурида Эрбия. Более сложные квантовые материалы могут сохранять несколько электронных фаз одновременно, и ученые подозревают, что способ взаимодействия этих фаз может проявлять некоторые из их самых необычных свойств.
«В гораздо более сложных мыслях, таких как высокотемпературные сверхпроводники, вы видите, что существует несколько фаз — магнетизм, сверхпроводимость, волны зарядовой плотности, и все они существуют вместе», — сказал он. — говорит Гедик. «Одна из теорий заключается в том, что то, как они взаимодействуют друг с другом, является ключом к их экзотическим свойствам. Уроки, которые мы здесь извлекаем, можно применить к гораздо более сложным материалам».
Исследование было поддержано Министерством энергетики США, Национальным средним фондом США и грантом Инициативы EPiQS Фонда Гордона и Бетти Мур.