Ученые выявили ранее неизвестное квантовое состояние материи на границе между двумя необычными материалами. Состояние, описываемое как квантовый жидкий кристалл, было обнаружено в структуре, созданной путем объединения проводящего материала, называемого вейлевским полуметаллом, с изолирующим магнитным материалом, известным как спиновый лед.
Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, показывают, что соединение этих двух материалов может порождать поведение, которое не наблюдается при их изучении по отдельности. Исследователи наблюдали новое поведение при сверхнизких температурах и в очень сильных магнитных полях.
Двумя материалами, использованными в эксперименте, были вейлевский полуметалл Eu₂Ir₂O₇ (пирохлоровый иридат европия) и спиновый лед Dy₂Ti₂O₇ (титанат диспрозия). Оба принадлежат к семейству материалов, называемых магнитными пирохлорами, которые могут обладать необычными электронными и магнитными свойствами.
Вейлевские полуметаллы — это материалы, в которых электроны ведут себя необычным образом из-за особых частицеподобных возбуждений, называемых вейлевскими фермионами. Вейлевские фермионы — это тип квазичастиц, частицеподобное возмущение, которое помогает ученым описывать совместное поведение многих взаимодействующих частиц.
Спиновый лед — это магнитный материал, в котором крошечные магнитные моменты расположены в структуре, похожей на расположение атомов водорода в обычном льду. Необычные свойства этих материалов могут возникать из-за нескольких эффектов, включая спин-орбитальную связь, электронные корреляции и геометрическую фрустрацию.
Спин-орбитальная связь — это взаимодействие между спином электрона и его движением. Электронные корреляции описывают ситуации, в которых электроны сильно влияют друг на друга, а не ведут себя независимо. Геометрическая фрустрация возникает, когда расположение атомов или магнитных моментов затрудняет для всех них переход в предпочтительное расположение.
Эти эффекты могут порождать различные квантовые фазы — особые состояния вещества, подчиняющиеся квантовой физике. К ним относятся спиновый лед и топологические полуметаллы. Термин «топологический» относится к свойствам электронной структуры материала, которые могут оставаться стабильными, несмотря на определенные изменения.
Ученые изучали эти фазы по отдельности, но команда под руководством Ратгерского университета хотела выяснить, что произойдет, если два типа материалов поместить вместе. Полученная структура называется гетероструктурой, то есть она создана соединением разных материалов, часто очень тонкими слоями. Область, где встречаются два материала, называется гетероинтерфейсом.
«Хотя каждый материал был extensively изучен, их взаимодействие на этой границе оставалось совершенно неизученным», — сказал Цунг-Чи Ву, получивший в июне докторскую степень в аспирантуре Ратгерского университета по физике и астрономии и являющийся первым автором исследования. «Мы наблюдали новые квантовые фазы, которые возникают только при взаимодействии этих двух материалов. Это создает новое квантовое топологическое состояние материи в сильных магнитных полях, которое ранее было неизвестно».
На границе раздела магнитные свойства спинового льда влияют на то, как электроны движутся через вейлевский полуметалл. Это создает электронную анизотропию, то есть электрическое поведение материала изменяется в зависимости от направления измерения.
Исследователи обнаружили шестикратную закономерность в электрическом транспорте материала. При полном повороте на 360 градусов проводимость была наименьшей в шести конкретных направлениях. Объяснение исследователей состоит в том, что магнитное состояние спинового льда изменяется под действием приложенного магнитного поля и, в свою очередь, влияет на электроны в соседнем вейлевском полуметалле.
Исследователи описывают этот процесс с помощью термина «связь Кондо», который относится к взаимодействию между подвижными электронами и локализованными магнитными моментами. В данном случае магнитное поведение спинового льда изменяет движение электронов через вейлевский полуметалл, влияя на их рассеяние.
Это рассеяние (электронов) означает, что движение электрона меняется из-за взаимодействия с другой частицей, дефектом или магнитным образованием. Исследователи связали этот процесс с состояниями ферми-дуг, которые представляют собой необычные электронные состояния на поверхности вейлевских полуметаллов.
Поведение снова изменилось, когда магнитное поле было усилено. При более высоких полях исследователи наблюдали двукратный характер электрического транспорта, при котором материал реагирует по-разному вдоль двух противоположных направлений.
Это известно как нарушение вращательной симметрии. Проще говоря, при повороте система больше не ведет себя одинаково во всех направлениях. Исследователи говорят, что это изменение указывает на возникновение многочастичного состояния — состояния, свойства которого являются результатом взаимодействий между многими частицами, а не отдельных частиц по отдельности.
Вместе шестикратная и двукратная картины показывают, как магнитные свойства одного материала могут изменять электронное поведение другого. Исследователи описывают это как эмерджентное явление, то есть новое поведение, которое возникает при взаимодействии разных частей системы и не обнаруживается в отдельных частях по отдельности.
Эти результаты важны, поскольку показывают, что граница между двумя материалами может обладать собственными необычными физическими свойствами. По словам исследователей, это может помочь ученым найти новые способы управления электронным и магнитным поведением.
Работа также может быть актуальна для будущих исследований квантовых сенсоров, обнаруживающих магнитные поля. Понимание того, как ведут себя электроны в этих материалах, может помочь ученым разрабатывать высокочувствительные сенсоры, работающие в экстремальных условиях, в том числе в космосе или внутри мощных машин.
Эксперименты возглавил Джак Чакхалян, именной профессор экспериментальной физики имени Клода Лавлейса на кафедре физики и астрономии Ратгерского университета и соавтор исследования. Теоретическую поддержку работе оказал Джедедия Пиксли, доцент той же кафедры и еще один соавтор.
«Именно сотрудничество теории и эксперимента делает работу возможной», — сказал Ву. «Нам потребовалось более двух лет, чтобы понять экспериментальные результаты. Заслуга принадлежит самому современному теоретическому моделированию и расчетам, выполненным группой Пиксли, особенно Джеду Пиксли и Юэцин Чан, постдокторанту. Мы продолжаем наше сотрудничество, чтобы продвигать границы этой области как команда Ратгерского университета».
Большинство экспериментов было проведено в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси, штат Флорида. Лаборатория обеспечила сверхнизкие температуры и сильные магнитные поля, необходимые для наблюдения новых явлений.
«Нам пришлось инициировать сотрудничество и несколько раз ездить в MagLab для проведения этих экспериментов, каждый раз уточняя идеи и методы», — сказал Ву. «Сверхнизкие температуры и сильные магнитные поля были решающими для наблюдения этих новых явлений».
Исследование опирается на более раннюю работу команды Ратгерского университета с участием Чакхаляна, Михаила Кареева, Ву и других физиков. В той работе был описан метод, разработанный за четыре года экспериментов, для создания и сборки крошечной структуры толщиной в несколько атомов, объединяющей вейлевский полуметалл и спиновый лед.
Создать структуру было сложно, поэтому исследователи разработали устройство под названием Q-DiP — сокращение от «платформа для обнаружения квантовых явлений». Эта система была спроектирована для создания и изучения небольших гетероструктур и исследования квантовых явлений.
«В той статье мы описали, как создали гетероструктуру», — сказал Чакхалян. «Новая статья в Science Advances — о том, на что она способна».
Новые результаты дополняют исследования, показывающие, что необычные состояния материи могут возникать в экстремальных условиях, например при очень низких температурах, высоких давлениях и сильных магнитных полях. Они также показывают, что при объединении двух разных материалов граница между ними может порождать физическое поведение, которое ни один из материалов не демонстрирует по отдельности.
Для неспециалиста главный результат состоит в том, что ученые создали очень маленькую структуру, в которой два необычных материала взаимодействуют новым способом. Магнитный материал меняет поведение электронов в проводящем материале, создавая различные картины электрического движения по мере усиления магнитного поля. При самых высоких протестированных полях это поведение снова меняется, указывая на новое квантовое состояние.
«Это только начало», — сказал Ву. «Существует множество возможностей для изучения новых квантовых материалов и их взаимодействий при объединении в гетероструктуру. Мы надеемся, что наша работа также вдохновит физическое сообщество на исследование этих захватывающих новых рубежей».
Если кратко:
-
Ученые выявили ранее неизвестное квантовое состояние, называемое квантовым жидким кристаллом, на границе между двумя необычными материалами: вейлевским полуметаллом и спиновым льдом.
-
Два материала были объединены в чрезвычайно тонкую гетероструктуру и изучены при сверхнизких температурах и в очень сильных магнитных полях. Их взаимодействие привело к поведению, которое не возникает при изучении материалов по отдельности.
-
Исследователи обнаружили, что магнитные свойства спинового льда влияют на движение электронов в вейлевском полуметалле. В одном диапазоне магнитных полей электрическое поведение демонстрировало шестинаправленную картину.
-
Когда магнитное поле увеличили, картина изменилась. Электроны начали двигаться в основном в двух противоположных направлениях. Это нарушение вращательной симметрии указывает на возникновение новой квантовой фазы, в которой многие частицы ведут себя коллективно.
-
Открытие дает ученым новый способ изучать, как различные квантовые материалы могут взаимодействовать и создавать новые свойства на своей границе. Оно также может помочь будущим исследованиям высокочувствительных квантовых сенсоров для обнаружения магнитных полей в экстремальных условиях.
-
Работа основана на четырех годах исследований по созданию крошечной материальной структуры. Поскольку создать ее было сложно, команда Ратгерского университета разработала Q-DiP, или платформу для обнаружения квантовых явлений, для создания и изучения этих структур атомного масштаба.
Источник: Ратгерский университет, Science
Эта статья была подготовлена при содействии ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законодательством об авторском праве, которое в противном случае могло бы считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
