Foto: Xinyue Lu

Objev elektronů v kvantovém materiálu

Fyzici z MIT zjistili, že dvě elektronické fáze uvnitř stejného kvantového materiálu vznikají překvapivě odlišnými mechanismy – jedna plynule a druhá v rozšiřujících se kapsách připomínajících rostoucí ledové krystaly. Tento objev by mohl pomoci vysvětlit, jak se vyvíjejí a koexistují exotické vlastnosti jako supravodivost a magnetismus.

Autor původního článku: Jennifer Chu

Ilustrace experimentálního konceptu ukazuje, jak vědci studují fáze v kvantovém materiálu. V pozadí jsou dominantní modré pruhy a jemné červené pruhy představují subdominantní fázový řád. Červené a fialové paprsky jsou „pumpovací“ a „sondovací“ laserové paprsky. Bílé částice jsou fotoemitované elektrony, z nichž vědci čtou informace o fázovém přechodu.

Sklenice s ledovou vodou nabízí známý příklad dvou fází existujících současně. Stejná látka se může objevit jako kapalná voda i pevný led. V určitých kvantových materiálech mohou také koexistovat různé fáze, ačkoli základní chování je mnohem složitější. Fyzici z MIT nyní odhalili nové detaily o tom, jak mohou ve stejném kvantovém materiálu vznikat dvě různé formy organizace elektronů. Zjištění, publikovaná v Nature Physics, by mohla zlepšit porozumění vědců materiálům, které vykazují supravodivost, magnetismus a další elektronické fáze.

Význam objevu

„Lidé věří, že základní kámen nahrazení křemíku spočívá v kvantových materiálech, které mají více koexistujících fází,“ říká spoluautor Alfred Zong PhD ’20, který vedl studii jako postgraduální student na MIT a nyní je asistentem profesora na Stanfordské univerzitě. „Náš experiment poskytuje velmi elegantní způsob, jak studovat tyto vícefázové systémy.“

Atomová šachovnice elektronů

Výzkumníci, vedení Nuhem Gedikem, Donnerovým profesorem fyziky na MIT, zkoumali erbium tritellurid, vzácnozemský materiál s neobvyklým elektronickým chováním. Za běžných podmínek jsou elektrony v erbium tritelluridu rozloženy relativně rovnoměrně. Když je materiál ochlazen na specifické teploty, elektrony se začnou organizovat do vlnovitého uspořádání známého jako fáze „vlny hustoty náboje“ (CDW). Další ochlazení materiálu vytváří druhý vlnový vzor probíhající kolmo k prvnímu. Společně tyto dvě elektronické fáze tvoří něco, co připomíná šachovnici v atomovém měřítku.

Gedik a jeho kolegové byli schopni oddělit chování těchto dvou fází a pozorovat, jak se každá z nich vyvíjí. První fáze se objevila postupně po celém materiálu, podobně jako kapalná voda se postupně mění na páru. To odpovídá konvenčnímu obrazu, jak probíhá mnoho elektronických fázových přechodů. Druhá fáze se chovala velmi odlišně. Místo toho, aby se objevila plynule po celém materiálu, začala v izolovaných oblastech, které se rozšiřovaly směrem ven, podobně jako ledové krystaly začínají tvořit v kapalné vodě.

„Mechanismus zodpovědný za vznik této druhé fáze byl dlouho diskutován a náš přístup poskytuje mocný nový způsob, jak odhalit skrytou fyziku za fázovými přechody v kvantových materiálech,“ říká Gedik.

Jak se formují vlny hustoty náboje

Vlny hustoty náboje se vyvíjejí, když se elektrické náboje, jako jsou elektrony, spontánně organizují do opakujícího se vlnového vzoru. Oblasti odpovídající vrcholům obsahují více elektronů, zatímco údolí obsahují méně. V některých materiálech se tento koordinovaný stav objevuje pouze při extrémně nízkých teplotách. Fyzici studují vlny hustoty náboje již desítky let. Nedávno vědci našli tyto vlny v materiálech, které také podporují složitější formy kolektivního chování elektronů, včetně magnetismu a supravodivosti, kde se elektrony spojují a pohybují se materiálem bez tření.

„Stejně jako supravodivost, vlny hustoty náboje jsou kolektivní fenomén, kde se elektrony pohybují společně určitými způsoby,“ vysvětluje hlavní autor Yifan Su. „Síla CDW spočívá v tom, že jsou mnohem jednodušší formou hmoty ve srovnání se supravodivostí. Nabízejí hřiště pro základní porozumění.“

Výzkumníci chtěli studovat materiál, ve kterém existují dvě fáze CDW současně. Pochopení, jak se tyto dvě vlny objevují a koexistují, by mohlo poskytnout vodítka o složitějších fázových přechodech zapojených do supravodivosti a dalších neobvyklých elektronických stavů.

„Jednou z největších otázek ve fyzice je, proč některé materiály hostí více fází, zatímco jiné ne. A když více fází existuje, jak spolu interagují? Posilují se navzájem, konkurují si, nebo koexistují nezávisle?“ říká Gedik. „To je pro nás jako případová studie pro pochopení mnohem složitějších materiálů.“

Použití laserů k narušení kvantového řádu

Vědci již věděli, že erbium tritellurid může podporovat dvě různé vlny hustoty náboje. Tento vzácnozemský materiál může být vyroben v laboratoři jako atomově tenké listy, což umožňuje vědcům zkoumat jeho neobvyklé kvantové vlastnosti. Předchozí experimenty ukázaly, že první vlna hustoty náboje se objevuje, když je erbium tritellurid ochlazen na -8 stupňů Celsia. Tato „dominantní“ vlna se rozprostírá materiálem v jednom směru. Když teplota klesne dále na -113 stupňů Celsia, objeví se druhá „subdominantní“ vlna hustoty náboje v pravém úhlu k první. Tyto dva vzory společně vytvářejí šachovnicové uspořádání koexistujících elektronických fází.

Pro novou studii chtěl Gedikův tým přesně určit, jak se každá fáze formuje. Výzkumníci získali malé, atomově tenké vzorky erbium tritelluridu vytvořené spolupracovníky na Stanfordu. V Gedikově laboratoři ochladili vzorky na přibližně -230 stupňů Celsia, dostatečně chladno pro současnou existenci obou vln hustoty náboje ve vzoru šachovnice. Poté narušili nebo zničili tento elektronický vzor a sledovali, jak se obě vlny vrací.

Experiment se spoléhal na dva pečlivě načasované laserové pulzy. „Takto ‚zatřeseme‘ a pak ‚nasloucháme‘ systému,“ říká Gedik. První laserový pulz sloužil jako „zatřesení“, rozbíjející elektronickou šachovnici. Změnou intenzity pulzu mohli výzkumníci kontrolovat, jak silně narušili vlny hustoty náboje. Druhý pulz obsahující fotony s vysokou energií pak vyrazil elektrony z materiálu. Výzkumníci aplikovali tento pulz v různých intervalech po prvním a měřili energii a hybnost vyražených elektronů. Tato měření poskytla sérii snímků ukazujících, jak se elektronické fáze v průběhu času obnovují.

„Vidíme ničení těchto fází, a pak pokud čekáme dostatečně dlouho, vrátí se zpět,“ vysvětluje Gedik. „A v závislosti na tom, jak je zasáhnete, dvě fáze reagují odlišně.“

Dva velmi odlišné způsoby obnovy

Dominantní vlna hustoty náboje se vrátila postupně a rovnoměrně, bez ohledu na to, jak silně výzkumníci původně narušili materiál. Tato plynulá obnova je považována za učebnicový „druhý řád“ fázového přechodu. Připomíná postupný způsob, jakým magnet ztrácí svou magnetičnost, když jeho teplota stoupá.

Druhá vlna hustoty náboje přinesla větší překvapení. Místo toho, aby se vrátila rovnoměrně, subdominantní fáze začala tvořit v rozptýlených kapsách. Tyto oblasti se pak rozšiřovaly materiálem, podobně jako ledové krystaly rostoucí v kapalné vodě. Toto chování odpovídá méně běžnému „prvnímu řádu“ přechodu a nebylo to, co výzkumníci očekávali.

Pozorování umožnila týmu identifikovat dlouho diskutovaný mechanismus zodpovědný za vznik subdominantní fáze CDW. Zjištění mohou mít důsledky daleko za hranicemi erbium tritelluridu. Složitější kvantové materiály mohou obsahovat několik elektronických fází současně a vědci podezřívají, že způsob, jakým tyto fáze interagují, může být zodpovědný za některé z jejich nejneobvyklejších vlastností.

„V systémech, které jsou mnohem složitější, jako jsou vysokoteplotní supravodiče, vidíte, že existuje více fází – magnetismus, supravodivost, vlny hustoty náboje, a všechny existují společně,“ říká Gedik. „Jedna z teorií je, že způsob, jakým spolu interagují, je klíčem k jejich exotickým vlastnostem. Lekce, které se zde naučíme, lze aplikovat na mnohem složitější materiály.“

Výzkum byl podpořen Ministerstvem energetiky USA, Národní vědeckou nadací USA a grantem EPiQS Initiative od Gordon a Betty Moore Foundation.