Фізики Массачусетського технологічного інституту показали, що в одному й тому самому квантовому матеріалі дві електронні фази виникають зовсім по-різному: одна з’являється плавно по всьому кристалу, а інша зароджується в окремих «кишенях», що розростаються, подібно до кристалів льоду у воді. Про це йдеться в матеріалі на ScienceDaily.
Таке розщеплення механізмів фазового переходу може допомогти краще зрозуміти, як у квантових матеріалах виникають і співіснують надпровідність, магнетизм та інші незвичайні електронні стани, а також як ними можна керувати для створення потужніших квантових пристроїв.
«Шахівниця» з електронів у ербієвому трителуриді
Команда під керівництвом Нуга Ґедіка (Nuh Gedik), професора фізики MIT, вивчала ербієвий трителурид — рідкісноземельний матеріал з нетиповою електронною поведінкою. За звичайних умов електрони в ньому розподілені відносно рівномірно. Але коли кристал охолоджують до певних температур, електрони починають самоорганізовуватися в періодичну хвильову структуру — так звану фазу зарядової хвилі густини (charge density wave, CDW).
Перша така хвиля з’являється при охолодженні до приблизно -8 °C і простягається вздовж одного напрямку в кристалі. Якщо знизити температуру далі, до близько -113 °C, виникає друга хвиля, розташована перпендикулярно до першої. Разом вони утворюють щось на кшталт атомарної «шахівниці» з електронів — дві співіснуючі електронні фази в одному матеріалі.
Дослідники змогли розділити поведінку цих двох фаз і простежити, як кожна з них формується. Перша, «домінантна» фаза наростала поступово по всьому зразку — подібно до того, як рідина повільно перетворюється на пару. Це відповідає класичному уявленню про багато електронних фазових переходів.
Натомість друга, «субдомінантна» фаза поводилася інакше: вона спершу виникала в окремих ділянках, які потім розросталися, нагадуючи зародження й ріст кристалів льоду в охолодженій воді. Саме цей механізм давно викликав суперечки, і новий експеримент дав змогу безпосередньо побачити його в дії.
Що таке зарядова хвиля густини
Зарядова хвиля густини виникає, коли електричні заряди, зокрема електрони, спонтанно впорядковуються в періодичний хвильовий візерунок: у «гребенях» хвилі електронів більше, у «западинах» — менше. У деяких матеріалах такий колективний стан з’являється лише за дуже низьких температур.
Фізики вивчають CDW уже десятиліттями, а останніми роками виявляють їх у матеріалах, де одночасно існують складніші колективні стани — магнетизм і надпровідність, коли електрони об’єднуються в пари й рухаються без опору.
Провідний автор дослідження Їфань Су (Yifan Su) пояснює, що зарядові хвилі густини, як і надпровідність, є колективним явищем, де електрони діють узгоджено. Але CDW вважають простішою формою впорядкованої матерії, тож вони слугують зручним «полігоном» для фундаментального розуміння складніших фаз, зокрема надпровідних.
Команда прагнула дослідити саме матеріал із двома одночасними CDW-фазами. Те, як ці хвилі виникають і співіснують, може пролити світло на ще заплутаніші фазові переходи в надпровідниках та інших квантових системах.
Лазерний «струс» і спостереження за відновленням порядку
Ербієвий трителурид можна вирощувати у вигляді атомарно тонких пластинок, що дає змогу детально досліджувати його квантові властивості. Для нового експерименту зразки, виготовлені колегами зі Стенфорда, у лабораторії Ґедіка охолодили приблизно до -230 °C — настільки низько, щоб обидві зарядові хвилі густини одночасно існували у вигляді електронної «шахівниці».
Потім дослідники навмисно порушили цей впорядкований стан і спостерігали, як він відновлюється. Для цього вони використали два точно синхронізовані лазерні імпульси.
Перший імпульс був своєрідним «струсом»: він руйнував електронну шахівницю, а змінюючи інтенсивність лазера, вчені могли контролювати, наскільки сильно порушуються зарядові хвилі. Другий імпульс, з високоенергетичними фотонами, вибивав електрони з матеріалу. Вимірюючи енергію та імпульс цих фотоелектронів у різні моменти після першого імпульсу, команда отримувала послідовність «кадрів», що показують, як електронні фази відновлюються з часом.
Так вдалося побачити, як обидві CDW-фази спочатку зникають, а потім повертаються. І саме різниця в тому, як вони «перебудовуються», виявилася ключовою.
Два типи фазових переходів — в одному кристалі
Домінантна зарядова хвиля густини відновлювалася рівномірно по всьому зразку, незалежно від сили початкового збурення. Така плавна, безстрибкова зміна відповідає класичному фазовому переходу другого роду — подібно до того, як магніт поступово втрачає намагніченість при нагріванні.
Субдомінантна хвиля поводилася інакше: вона з’являлася спершу у відокремлених «острівцях», які потім розросталися й заповнювали матеріал. Це характерно для фазового переходу першого роду, де нова фаза виникає у вигляді зародків, як лід у переохолодженій воді. Саме таку картину й побачили фізики, що стало несподіванкою.
Завдяки цим спостереженням команда змогла ідентифікувати механізм, який стоїть за появою субдомінантної CDW-фази, — питання, що довго залишалося дискусійним. І хоча робота зосереджена на ербієвому трителуриді, її висновки можуть бути важливими для значно складніших квантових матеріалів.
У багатьох із них одночасно присутні кілька електронних фаз — магнетизм, надпровідність, зарядові хвилі густини. Вчені підозрюють, що саме спосіб їхньої взаємодії визначає найекзотичніші властивості цих систем. Дослідження MIT пропонує «еталонний» приклад, на якому можна відпрацьовувати підходи до розуміння й контролю таких взаємодій.
Роботу підтримали Міністерство енергетики США, Національний науковий фонд США та ініціатива EPiQS Фонду Гордона і Бетті Мур.