Физики впервые наблюдали динамику формирования электронных фаз в квантовом материале

Новое экспериментальное исследование предоставило учёным беспрецедентную возможность наблюдать, как в квантовых материалах возникают, исчезают и повторно формируются различные электронные фазы — результат, который может в перспективе помочь расшифровать механизмы сверхпроводимости и других экзотических явлений.

На первый взгляд, сосуществование разных фаз вещества выглядит обыденным: например, в стакане ледяной воды одновременно присутствуют твёрдый лёд и жидкая вода. Однако на квантовом уровне материалы способны демонстрировать гораздо более необычное сосуществование — когда электроны внутри одного и того же образца самопроизвольно организуются в разные коллективные структуры.

Физики из Массачусетского технологического института впервые зафиксировали в реальном времени процесс возникновения и повторного формирования таких электронных фаз.

Эксперимент выявил две электронные фазы

Исследователи работали с эрбиевым трителлуридом — редкоземельным соединением, электроны которого способны спонтанно упорядочиваться в волноподобные структуры, известные как волны плотности заряда (CDW). Эксперимент показал, что две такие электронные фазы формируются неодинаково: одна развивается плавно и равномерно по всему образцу, а другая возникает локально в отдельных областях и постепенно расширяется.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, могут дать важные указания на то, как возникают и взаимодействуют сложные электронные состояния — включая сверхпроводимость и магнетизм — в квантовых материалах.

При обычных условиях электроны в эрбиевом трителлуриде распределены относительно равномерно. При охлаждении они коллективно упорядочиваются в периодическую волновую структуру — так называемую волну плотности заряда. В такой структуре одни области содержат повышенную концентрацию электронов, а соседние — пониженную. Электроны перестают вести себя независимо и координируют своё поведение, образуя упорядоченное состояние.

Эрбиевый трителлурид представляет особый интерес, поскольку в нём могут формироваться две различные волны плотности заряда.

Первая, доминирующая волна возникает при охлаждении материала до примерно −8°C и распространяется преимущественно в одном направлении. При дальнейшем охлаждении — до примерно −113°C — формируется вторая волна, ориентированная перпендикулярно первой.

В результате возникает электронная «шахматная доска»: две принципиально разные упорядоченные структуры сосуществуют в одном и том же материале. Для физиков это порождает ключевой вопрос: как именно возникает вторая фаза? Появляется ли она одновременно во всём объёме? Развивается ли постепенно? Или начинается в одной точке и распространяется оттуда? До сих пор ответить на этот вопрос было чрезвычайно сложно.

«Встряхнуть» материал, а затем наблюдать его восстановление

Для изучения этого процесса команда МТИ охладила атомарно тонкие образцы эрбиевого трителлурида до приблизительно −230°C — температуры, при которой обе волны плотности заряда способны сосуществовать. Затем исследователи применили сложную лазерную методику «накачка–зонд».

Первый лазерный импульс фактически «встряхивал» систему: он нарушал или временно разрушал электронную шахматную структуру. После точно контролируемой задержки в материал направлялся второй лазерный импульс, выбивающий электроны из образца.

Измеряя энергию и импульс выбитых электронов, учёные смогли реконструировать последовательность «снимков», отражающих процессы внутри материала по мере восстановления электронного порядка. Простыми словами, учёные нарушили систему, а затем «прослушали», как она возвращается в исходное состояние.

Как пояснил физик МТИ Ну́х Гедик, исследователи фактически «встряхивают» систему и затем «слушают» её отклик. Это дало команде уникальную возможность — наблюдать динамику двух электронных фаз по отдельности.

Две фазы — два принципиально разных способа восстановления

Эксперимент выявил неожиданный результат: доминирующая волна плотности заряда восстанавливалась постепенно и равномерно. Даже при сильном внешнем воздействии электронный порядок восстанавливался гладко по всему образцу.

Такое поведение напоминает знакомый тип фазового перехода — переход второго рода.

Исследователи сравнивают его с постепенной потерей магнетизма при нагревании материала: не возникают внезапно крупные изолированные области без порядка; вместо этого упорядоченность изменяется непрерывно. Вторая, субдоминирующая волна плотности заряда вела себя совершенно иначе.