Цвета используются для иллюстрации картин волн плотности заряда, возникающих при критически низких температурах в магнитных железо-германиевых кристаллах. Материал представляет собой пример металла с решеткой кагоме с расположением атомов в кристаллической решетке в виде шестиугольников (цвета) и треугольников (черный). Устройство решетки препятствует движению электронов (синие и серебряные сферы), вызывая коллективное поведение, подобное волне плотности заряда. Авторы и права: Цзясинь Инь, Мин И и Пэнчэн Дай

Физики открыли материал, в котором атомы расположены таким образом, что движение электронов настолько нарушается, что они участвуют в коллективном "танце", где электронная и магнитная природа соперничают и взаимодействуют друг с другом неожиданным образом.

Исследование, проведенное физиками из Университета Райса, было опубликовано сегодня в сети Nature. В экспериментах в Райсе, Окриджской национальной лаборатории (ORNL), Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL), Вашингтонском университете (UW), Принстонском университете и Калифорнийском университете в Беркли изучали чистый железо-германий. При охлаждении до критически низкой температуры в кристаллах которого спонтанно возникали стоячие волны электронов. Интересно, что волны плотности заряда возникали, когда материал находился в магнитном состоянии, в которое он перешел при более высокой температуре.

«Волна плотности заряда обычно возникает в материалах, не обладающих магнетизмом», — сказал соавтор исследования Пэнчен Дай из Райса. «Материалы, которые имеют как волну плотности заряда, так и магнетизм, на самом деле редки. Еще более редки те, в которых волна плотности заряда и магнетизм «разговаривают» друг с другом, как это происходит в данном случае».

«Обычно волна плотности заряда возникает одновременно с магнетизмом или при более высокой температуре, чем магнитный переход», — сказал он. «Этот конкретный случай кажется особенным, потому что волна плотности заряда на самом деле возникает при температуре намного ниже, чем магнетизм. Мы не знаем ни одного другого примера, где это действительно происходит в материале, подобном этому, который имеет решетку кагоме, предполагает, что это может быть связано с магнетизмом».

Кристаллы железа и германия, использованные в экспериментах, были выращены в лаборатории Дая и отличаются особым расположением атомов в своей кристаллической решетке, напоминающим узоры, найденные в японских корзинах кагомэ. Равносторонние треугольники в решетке заставляют электроны взаимодействовать, и поскольку они ненавидят находиться рядом друг с другом, это принуждение мешает их движению. Воздействие увеличивается по мере падения температуры, вызывая коллективное поведение, подобное волне плотности заряда.

Соавтор исследования Мин И, также из Райс, говорит, что «волна плотности заряда подобна волнам, формирующимся на поверхности океана. Она формируется только при правильных условиях. В этом случае мы наблюдали ее, когда уникальная особенность в форме седла появилось в квантовых состояниях, в которых электронам разрешено жить. Связь с магнитным порядком заключается в том, что эта волна плотности заряда возникает только тогда, когда магнетизм вызывает появление седла. Это наша гипотеза».

Эксперименты предлагают дразнящий проблеск свойств, которые физики обнаружат в квантовых материалах, что имеют как топологические особенности, так и свойства, возникающие в результате сильно коррелированных взаимодействий электронов.

В топологических материалах паттерны квантовой запутанности создают «защищенные» состояния, которые невозможно стереть. Неизменная природа топологических состояний вызывает все больший интерес для квантовых вычислений и спинтроники. Самые ранние топологические материалы были непроводящими изоляторами, защищенные состояния которых позволяли им проводить электричество ограниченными способами, например, на двумерных внешних поверхностях или вдоль одномерных краев.

«В прошлом топологические материалы были типами, которые были очень слабо коррелированы», — сказал Йи, доцент кафедры физики и астрономии Райса. «Люди использовали эти материалы, чтобы действительно понять топологию квантовых материалов , но сейчас задача состоит в том, чтобы найти материалы, в которых мы могли бы использовать преимущества как топологических состояний, так и сильных электронных корреляций».

В сильно коррелированных материалах взаимодействия миллиардов и миллиардов электронов вызывают коллективное поведение, такое как нетрадиционная сверхпроводимость или непрерывные флуктуации между магнитными состояниями в квантовых спиновых жидкостях.

«Для материалов со слабой корреляцией, таких как исходные топологические изоляторы, расчеты из первых принципов работают очень хорошо», — сказал Йи. «Основываясь только на том, как расположены атомы, вы можете рассчитать, какую зонную структуру ожидать. Это действительно хороший путь с точки зрения дизайна материалов. Вы даже можете предсказать топологию материалов».

«Но сильно коррелированные материалы более сложны», — сказала она. «Между теорией и измерением отсутствует связь. Таким образом, не только трудно найти материалы, которые одновременно сильно коррелированы и топологичны, но когда вы их находите и измеряете, также очень сложно связать с теоретической моделью, которая объясняет, что происходит».

Йи и Дай сказали, что решетчатые материалы кагомэ могут обеспечить путь вперед.

«В какой-то момент вы захотите иметь возможность сказать: «Я хочу сделать материал с определенным поведением и свойствами», — сказал Йи. «Я думаю, что кагоме является хорошей платформой в этом направлении, потому что есть способы делать прямые предсказания, основанные на кристаллической структуре, о типе ленточной структуры и, следовательно, о явлениях, которые могут возникнуть на этой основе. В нем много правильных ингредиентов».