Физики обнаружили «секретный соус» экзотических свойств нового квантового материала

Хотя теоретики ранее уже предсказывали причину необычных свойств материала, известного как металл кагомэ — явление, лежащее в основе этих свойств, наблюдалось в лаборатории впервые.

«Мы надеемся, что наше новое понимание электронной структуры металла кагоме поможет нам создать богатую платформу для открытия других квантовых материалов. Это, в свою очередь, может привести к новому классу сверхпроводников, новым подходам к квантовым вычислениям и другим квантовым технологиям », — заявил доцент кафедры физики Массачусетского технологического института Риккардо Комин, чья группа возглавляла обучение.

Металл кагомэ — это новый квантовый материал, который проявляет экзотические свойства квантовой механики в макроскопическом масштабе. В 2018 году Комин и Джозеф Чекельски, адъюнкт-профессор физики Мицуи Массачусетского технологического института, возглавили первое исследование электронной структуры металлов кагомэ, что вызвало интерес к этому семейству материалов. Члены семейства металлов кагомэ состоят из слоев атомов, расположенных в повторяющихся единицах, подобных звезде Давида или значку американского шерифа. Этот узор также распространен в японской культуре, особенно в качестве мотива плетения корзин.

«Это новое семейство материалов привлекло большое внимание как новая богатая площадка для квантовой материи, которая может проявлять экзотические свойства, такие как нетрадиционная сверхпроводимость, нематичность и волны плотности заряда», — отметил Комин.

Сверхпроводимость и намеки на волновой порядок плотности заряда в новом семействе металлов кагомэ, изученных Комином и его коллегами, были обнаружены в лаборатории профессора Стивена Уилсона в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, где также были синтезированы монокристаллы. Материал кагоме, исследованный в работе, состоит всего из трех элементов — цезия, ванадия и сурьмы — и имеет химическую формулу CsV3Sb5.

Исследователи сосредоточились на двух экзотических свойствах, которые металл кагомэ проявляет при охлаждении ниже комнатной температуры. Одним из них является сверхпроводимость, которая позволяет материалу чрезвычайно эффективно проводить электричество. В обычном металле электроны ведут себя так же, как люди, танцующие поодиночке в комнате. В сверхпроводнике кагоме, когда материал охлаждается до 3 Кельвинов (-270 °C), электроны начинают двигаться парами, как пары в танце.

«И все эти пары движутся в унисон, как если бы они были частью квантовой хореографии», — пояснил Комин.

При температуре 100 кельвинов (-173 °C) материал кагомэ демонстрирует еще один странный вид поведения, известный как волны плотности заряда. В этом случае электроны выстраиваются в виде ряби, очень похожей на песчаную дюну.

«Волны плотности заряда сильно отличаются от сверхпроводников, но они по-прежнему представляют собой состояние материи, в котором электроны должны располагаться коллективно, высокоорганизованным образом. Они снова образуют хореографию, но они больше не танцуют. Теперь они образуют статичный узор», — рассказал ученый.

«Что заставляет электроны «разговаривать» друг с другом, влиять друг на друга? Это ключевой вопрос. Исследуя электронную структуру этого материала, мы обнаружили, что электроны демонстрируют интригующее поведение, известное как электронная сингулярность», — заявил Мингу Канг, аспирант физического факультета Массачусетского технологического института.

Команда исследователей обнаружила, что в металле кагоме все электроны, движущиеся с разными скоростями, имеют одинаковую энергию. Известно, что когда в материале одновременно существует много электронов с одинаковой энергией, они взаимодействуют гораздо сильнее. В результате этих взаимодействий электроны могут спариваться и становиться сверхпроводящими или иным образом образовывать волны плотности заряда. Наличие этой сингулярности и является по данным ученых тем самым «секретным соусом», который обеспечивает квантовое поведение металлов кагомэ.

Новое понимание взаимосвязи между энергией и скоростями в материале кагомэ «также важно, потому что оно позволит нам установить новые принципы проектирования для разработки новых квантовых материалов», — заявил Комин. По его словам, теперь ученые знают, как найти подобную сингулярность в других системах.