Недавний эксперимент, подробно описанный в журнале Nature, ставит под сомнение наше представление о том, как электроны ведут себя в квантовых материалах. Используя сложенные слои материала, называемого дителлуридом вольфрама, исследователи наблюдали, как электроны в двух измерениях ведут себя так, как если бы они были в одном измерении, и в процессе создали то, что исследователи называют новым электронным состоянием материи.

«Это действительно совершенно новый горизонт», — сказал Санфэн Ву, доцент физики Принстонского университета и старший автор статьи. «С помощью этого эксперимента мы смогли создать новую электронную фазу — по сути, новый тип металлического состояния».

Наше нынешнее понимание поведения взаимодействующих электронов в металлах может быть описано теорией, которая хорошо работает с двух- и трехмерными системами, но не работает при описании взаимодействия электронов в одном измерении.

«Эта теория описывает большинство известных нам металлов», — сказал Ву. «В нем говорится, что электроны в металле, хотя и сильно взаимодействующие, должны вести себя как свободные электроны , за исключением того, что они могут иметь разные значения некоторых характерных величин, таких как масса и магнитный момент».

Однако в одномерных системах эта «теория ферми-жидкости» уступает место другой теории, «теории жидкости Латтинджера», описывающей взаимодействие между электронами.

«Теория жидкости Латтинджера обеспечивает основную отправную точку для понимания взаимодействующих электронов в одном измерении», — сказал Ву. «Электроны в одномерной решетке так сильно коррелируют друг с другом, что в некотором смысле начинают вести себя не как свободные электроны».

Теория ферми-жидкости впервые была выдвинута лауреатом Нобелевской премии Л. Д. Ландау. Теория Латтинджера прошла долгий процесс уточнения, прежде чем она стала широко принята физиками. Теоретическая модель была впервые предложена японским лауреатом Нобелевской премии Шиничиро Томонага в 1950-х годах, сказал Ву, и была независимо сформулирована Дж. М. Латтингером позже в 1963 году.

Латтингер, однако, предложил неадекватное решение, и поэтому принстонский математик и физик Эллиотт Либ, сегодня почетный профессор физики Юджина Хиггинса, принял вызов в 1965 году, в конце концов предоставив правильное решение. Другой физик и лауреат Нобелевской премии, Ф. Дункан Холдейн, профессор физики Принстонского университета Шермана Фэйрчайлда, затем использовал эту модель в 1981 году, чтобы понять эффекты взаимодействия одномерных металлов. Холдейн ввел термин «жидкости Латтинжера» и заложил основу современной теории жидкостей Латтинджера как общего описания одномерных металлов.

В течение долгого времени эти две теории — теория жидкости Ферми и теория жидкости Латтинджера — были центральными для нашего понимания поведения электронов в физике конденсированного состояния в зависимости от их размерности.

Но были намеки на то, что взаимодействия электронов намного сложнее, чем эта простая классификация. Филип Андерсон, еще один лауреат Нобелевской премии и физик из Принстона, предположил в 1990-х годах, что могут быть определенные «экзотические» случаи, когда поведение электронов в двумерных системах в редких случаях также может следовать предсказаниям теории жидкости Латтинджера. Другими словами, хотя электроны в двумерных системах обычно объясняются теорией жидкости Ферми, Андерсон задался вопросом, могут ли эти электроны вопреки интуиции вести себя как жидкость Латтинджера, как если бы они находились в одномерной системе.

Это было во многом гипотетически. По словам Ву, не было никаких экспериментов, которые можно было бы связать с этими экзотическими случаями.

До нынешнего момента.

Путем экспериментов Ву и его команда обнаружили, что электроны в специально созданной двумерной структуре материала при охлаждении до очень низких температур внезапно начинают вести себя так, как предсказывает теория жидкости Латтинджера. Другими словами, они действовали как коррелированные электроны в одномерном состоянии.

Исследователи провели свой эксперимент, используя материал, называемый дителлурид вольфрама (WTe ₂ ), слоистый полуметалл. Полуметалл — это соединение, обладающее промежуточными свойствами, которые ставят его между металлами и изоляторами. Исследователи из Принстона Лесли Шуп, доцент кафедры химии, и Роберт Кава, профессор химии Рассела Веллмана Мура, и их команды создали кристаллы дителлурида вольфрама высочайшего качества. Затем команда Ву создала отдельные атомарные слои этого материала и сложила два из них вертикально для исследования.

«Мы уложили монослои дителлурида вольфрама друг на друга и использовали угол поворота 5 или 6 градусов», — сказал Пэнцзе Ван, соавтор статьи и научный сотрудник с докторской степенью. Это создало большую прямоугольную решетку, называемую муаровым узором, которая напоминает обычный французский текстильный узор.

Первоначально команда намеревалась наблюдать, как угол закручивания повлияет на другие типы квантовых явлений в дителлуриде вольфрама. Но то, что они обнаружили, поразило их.

«Сначала мы были сбиты с толку результатами, — сказал Ван. — Но оказалось, что это правильно.

Исследователи заметили, что электроны вместо того, чтобы действовать свободно, начали сильно собираться в линейный массив, указывающий на электроны в одномерной системе.

«То, что вы имеете здесь, на самом деле является двумерным металлическим состоянием, которое не описывается стандартной теорией ферми-жидкости», — сказал Ву. «Впервые мы обнаруживаем совершенно новую электронную фазу вещества в двух измерениях, описанную жидкостной теорией Латтинджера ».

Го Ю, соавтор статьи и аспирант в области электротехники и вычислительной техники, описал свойства материала как удивительно переключаемые между однородным во всех направлениях (изотропным) или сильно различающимися по физическим свойствам при измерении в разных направлениях ( анизотропный).

«Что уникально для нашей скрученной двухслойной системы дителлурида вольфрама, так это то, что, в отличие от большинства других монослойных материалов и их муаровых сверхрешеток, которые являются изотропными, муаровая картина в нашем образце сильно анизотропна, что имеет решающее значение для размещения одномерной физики», — Ю. сказал.

Может показаться, что новая металлическая фаза найдет множество практических применений, но Ву предупредил, что это предварительные исследования. По его словам, прежде чем такие приложения могут быть реализованы, необходимо провести дополнительную работу.

Тем не менее Ву с оптимизмом смотрит в будущее. «Это может помочь открыть совершенно новое окно для изучения новых квантовых фаз материи», — сказал он. «В ближайшие годы мы увидим много новых результатов этого исследования».