Хоча теоретики раніше вже передбачали причину незвичайних властивостей матеріалу, відомого як метал кагоме — явище, що лежить в основі цих властивостей, спостерігалося в лабораторії вперше.
“Ми сподіваємося, що наше нове розуміння електронної структури металу кагоме допоможе нам створити багату платформу для відкриття інших квантових матеріалів. Це, у свою чергу може призвести до нового класу надпровідників, нових підходів до квантових обчислень та інших квантових технологій”, – заявив доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту Ріккардо Комін, чия група очолювала навчання.
Метал кагоме – це новий квантовий матеріал, який виявляє екзотичні властивості квантової механіки в макроскопічному масштабі. У 2018 році Комін і Джозеф Чекельскі, доцент фізики Міцуї Массачусетського технологічного інституту, очолили перше дослідження електронної структури металів кагоме, що викликало інтерес до цього сімейства матеріалів. Члени сімейства металів кагоме складаються з шарів атомів, розташованих у повторюваних одиницях, подібних зірці Давида або значку американського шерифа. Цей візерунок також поширений в японській культурі, особливо в якості мотиву плетіння кошиків.
«Це нове сімейство матеріалів привернуло велику увагу як новий багатий майданчик для квантової матерії, яка може проявляти екзотичні властивості, такі як нетрадиційна надпровідність, нематичність і хвилі щільності заряду», — зазначив Комін.
Надпровідність і натяки на хвильовий порядок щільності заряду в новому сімействі металів кагоме, вивчених Коміном і його колегами, були виявлені в лабораторії професора Стівена Вілсона в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі, де також були синтезовані монокристали. Матеріал кагоме, досліджений в роботі, складається всього з трьох елементів — цезію, ванадію і сурми — і має хімічну формулу CsV3Sb5.
- Домішка вуглецю різко покращила електропровідність міді
- Дах Нотр-Дама можуть надрукувати на 3D-принтері. Чорнилом з попелу і уламків
- Робот зіграв симфонію на смартфоні (відео)
Дослідники зосередилися на двох екзотичних властивостях, які метал кагоме проявляє при охолодженні нижче кімнатної температури. Одним з них є надпровідність, яка дозволяє матеріалу надзвичайно ефективно проводити електрику. У звичайному металі електрони поводяться так само, як люди, танцюючі поодинці в кімнаті. У надпровіднику кагоме, коли матеріал охолоджується до 3 кельвінів (-270 °C), електрони починають рухатися парами, як пари в танці.
«І всі ці пари рухаються в унісон, якби вони були частиною квантової хореографії», – пояснив Комін.
При температурі 100 кельвінів (-173 °C) Матеріал кагоме демонструє ще один дивний вид поведінки, відомий як хвилі щільності заряду. В цьому випадку електрони шикуються у вигляді брижі, дуже схожої на піщану дюну.
“Хвилі щільності заряду сильно відрізняються від надпровідників, але вони як і раніше являють собою стан матерії, в якому електрони повинні розташовуватися колективно, високоорганізованим чином. Вони знову утворюють хореографію, але вони більше не танцюють. Тепер вони утворюють статичний візерунок”, – розповів вчений.
“Що змушує електрони “розмовляти” один з одним, впливати один на одного? Це ключове питання. Досліджуючи електронну структуру цього матеріалу, ми виявили, що електрони демонструють інтригуючу поведінку, відома як електронна сингулярність», — заявив Мінгу Канг, аспірант фізичного факультету Массачусетського технологічного інституту.
Команда дослідників виявила, що в металі кагоме всі електрони, що рухаються з різними швидкостями, мають однакову енергію. Відомо, що коли в матеріалі одночасно існує багато електронів з однаковою енергією, вони взаємодіють набагато сильніше. В результаті цих взаємодій електрони можуть спаровуватися і ставати надпровідними або іншим чином утворювати хвилі щільності заряду. Наявність цієї сингулярності і є за даними вчених тим самим “секретним соусом”, який забезпечує квантову поведінку металів.
Нове розуміння взаємозв’язку між енергією і швидкостями в матеріалі кагоме “також важливо, тому що воно дозволить нам встановити нові принципи проєктування для розробки нових квантових матеріалів», — заявив Комін. За його словами, тепер вчені знають, як знайти подібну сингулярність в інших системах.