Сенсация: открыто новое фазовое состояние вещества

Группа физиков во главе с Дэвидом Сихом их Калифорнийского технологического института открыла необычную форму вещества — не обычный металл, изолятор или магнит, например, а кое-что совершенно иное.

Эта фаза, характеризующаяся необычной упорядоченностью электронов, предлагает новые возможности для инновационных электронных устройств. Также она способна помочь решить давнюю задачу в физике сжатого вещества, имеющей дело со сверхпроводимостью — способностью некоторых материалов проводить электричество без сопротивления, даже при высоких температурах до 100 градусов по Цельсию.

«Открытие этой фазы стало совершенно неожиданным и не основано на каком-либо прежнем теоретическом прогнозе», отметил доцент Сих, который ранее в составе исследовательской группы обнаружил другую форму вещества под названием топологический изолятор. „Целая область электронных материалов приводит к открытию новых фаз, которые обеспечивают сферу для поиска новых макроскопических физических свойств“.

Сих с коллегами описали результаты в издании Nature Physics. Ведущий автор исследования — постдок Лю Ван Чжао.

Прорыву способствовала лазерная техника

Физики совершили открытие, тестируя основанную на лазере недавно разработанную измерительную технику для поиска так называемого многополярного порядка. Чтобы понять, что это такое, представьте себе кристалл с электронами, которые перемещаются по нему. В определенных условиях он может стать энергетически благоприятным для накопления электрических зарядов внутри кристалла, формируя так называемую зарядово-упорядоченную фазу. Стандартный элемент этого типа упорядоченности под названием заряд — это просто скалярное количество, то есть описывается лишь числовым значением или величиной.

Помимо заряда электроны обладают степенью свободы, известной как спин. Когда спины выстраиваются в линию параллельно друг другу (в кристалле, например), они формируют ферромагнит — тип магнита, которые может оказаться в вашем холодильнике или на полоске банковской карты. Поскольку у спина есть одновременно величина и направление, спин-упорядоченная фаза описывается вектором.

За прошлые несколько десятилетий физики разработали сложные техники для поиска указанных типов фаз. Но что, если электроны в материале не упорядочены ни одним из этих способов? Другими словами, что если упорядоченность описывается не только скаляром или вектором, но и чем-то еще с большей размерностью, подобно матрице? Это может произойти, например, если элементом упорядоченной фазы является пара обращенных в противоположные стороны спинов — одного на юг и другого на север — описанных магнитным квадруполем. Такие примеры многополярно-упорядоченных фаз вещества сложно обнаружить с помощью традиционных экспериментальных анализов.

Эффект, невидимый невооруженным глазом

Как выясняется, новая фаза, обнаруженная группой Сиха, является именно такой многополярной упорядоченностью.

Для обнаружения последней группа Сиха использовала эффект генерации оптической гармоники, который наблюдается у всех твердых частиц, но обычно чрезвычайно слаб. Как правило, когда вы смотрите на объект, подсвеченный светом одной частоты, весь отраженный от объекта свет, который вы видите — именно этой частоты. Если светить красной лазерной указкой на стену, то глаз видит красный свет. Однако у всех материалов есть небольшое отклонение света, кратное входящей частоте. Так, вместе с красным светом от лазерной указки будет поступать немного синего света. Однако его не видно, поскольку доля синего света в красном крайне невелика. Такие явления называются оптической гармоникой.

В эксперименте группа Сиха использовала тот факт, что изменения симметрии кристалла повлияют на прочность каждой из гармоник иначе. Поскольку появление многополярной упорядоченности изменяет симметрию кристалла весьма специфическим путем, который практические невидим в обычных тестах, идея состоит в том, что реакция оптической гармоники кристалла может служить следом многополярной упорядоченности.

«Мы выяснили, что свет, отраженный на второй гармонической частоте, демонстрирует набор симметрий, совершенно отличных от симметрий известной кристаллической структуры, тогда как этот эффект полностью отсутствует для света, отраженного на фундаментальной частоте», сообщил Сих. „Это весьма четкий след специфического типа многополярной упорядоченности“.

В центре внимания — иридаты и купраты

Специфическое вещество, которое исследовали ученые — это оксид иридия стронция (Sr2IrO4), из ряда синтетических веществ под названием иридаты. Благодаря некоторым особенностям в последние несколько лет к Sr2IrO4 отмечен повышенный интерес. Аналогичные особенности есть у купратов — семейством материалов, которые демонстрируют сверхпроводимость при высоких температурах, превышающих 100 кельвинов (-173 градуса по Цельсию). Структурно иридаты и купраты очень похожи. Подобно купратам иридаты — это электрически изолирующие антиферромагниты, которые становятся металлическими, если в ходе химического легирования к ним добавляются или, напротив, из них удаляются электроны.

Легирование достаточно высокого уровня преобразует купраты в высокотемпературные сверхпроводники, а поскольку купраты из изоляторов становятся сверхпроводниками, для удаления электронов из материала требуется дополнительная энергия в ходе первого перехода через загадочную фазу под названием псевдозона.

Десятилетиями исследователи спорили о происхождении псевдозоны и ее связи со сверхпроводимостью, и выясняли, является ли она обязательным прекурсором сверхпроводимости или другой фазы с набором свойств симметрии. Если эту связь понять лучше, появится возможность развить материалы, которые являются сверхпроводимыми при температурах, близких к комнатной.

Недавно псевдозону наблюдали в Sr2IrO4, и группа Сиха выяснила, что многополярная упорядоченность, которую они установили, имеет место в окне легирования и температуры, где наблюдается псевдозона. Ученые продолжают выяснять, накладываются ли эти два момента друг на друга, однако Сих сообщил, что работа предполагает связь между многополярной упорядоченностью и феноменом псевдозоны.

Ранее другие группы показали сигнатуры сверхпроводимости в Sr2IrO4 в том же многообразии, что и в купратах, заявил Сих. С учетом подобной феноменологии иридатов и купратов, возможно, иридаты помогут нам разрешить давние споры о связи между псевдозоной и высокотемпературной сверхпроводимостью.

По словам ученого, открытие подчеркивает важность развития новых инструментов для обнаружения новых явлений. Также, добавил Сих, многополярная упорядоченность может существовать во многих других материалах.

«Sr2IrO4 — первое вещество, которое мы исследовали в данном разрезе, а потому многополярные упорядоченности могут иметь место также и в других материалах, и в дальнейшем мы намерены это выяснить», заключил исследователь.