Скрытые полосы в кристалле могут помочь ученым понять загадочное поведение электронов в определенных квантовых системах, включая высокотемпературные сверхпроводники, предполагает неожиданное открытие физиков RIKEN.
Электроны в большинстве материалов взаимодействуют друг с другом очень слабо. Но физики часто наблюдают интересные свойства у материалов, в которых электроны сильно взаимодействуют друг с другом. В этих материалах электроны часто коллективно ведут себя как частицы, образуя «квазичастицы».
«Кристалл можно рассматривать как альтернативную вселенную с другими законами физики, которые позволяют жить в ней различным фундаментальным частицам», — говорит Кристофер Батлер из Центра новых наук о материи RIKEN.
Батлер и его коллеги исследовали кристалл, в котором слой атомов никеля был расположен в виде квадратной решетки, похожей на шахматную доску. Отдельные электроны имеют небольшую массу, но внутри этого кристалла они оказались безмассовыми квазичастицами.
Команда решила изучить этот странный эффект с помощью сканирующего туннельного микроскопа, но это оказалось сложной задачей. Микроскоп размером с грецкий орех размещен внутри вакуумной камеры , окруженной комнатой, полной оборудования, которое создает низкие температуры и сверхнизкие давления, сравнимые с теми, что на поверхности Луны.
«Чтобы исследовать нетронутую поверхность этих кристаллов, мы пытаемся отколоть небольшую чешуйку, как это делают геологи», — говорит Батлер. «Но мы должны делать это в вакууме, а эти кристаллы настолько хрупкие, что могут взорваться в пыль».
После многочисленных попыток им это удалось, и они использовали микроскоп для сканирования чешуи с помощью маленькой иглы, похожей на проигрыватель, с напряжением на ней. Изменение напряжения позволило им исследовать различные функции.
Команда подтвердила, что атомы никеля расположены в виде шахматной доски. Но, к их удивлению, электроны нарушили эту схему и вместо этого выстроились полосами. Это называется нематичностью, когда взаимодействия в системе заставляют электроны проявлять меньшую симметрию, чем основной материал.
Батлер сравнивает это открытие с тем, что стоит у пруда и бросает в него камешек. «Вы ожидаете увидеть круглую рябь, поэтому, если вы увидите рябь, появляющуюся на параллельных линиях, вы поймете, что происходит что-то странное», — говорит он. «Это требует объяснения».
Такие эксперименты помогут физикам проверить различные предложенные теории поведения квантовых систем с множеством взаимодействий частиц, таких как высокотемпературные сверхпроводники . Эти новые результаты, например, согласуются с прогнозами, сделанными с использованием схемы «волна плотности», предложенной соавторами исследования из Университета Нагоя в Японии.
«Поведение многих взаимодействующих электронов трудно предсказать даже с помощью суперкомпьютеров», — говорит Батлер. «Но, по крайней мере, мы можем наблюдать, что они делают под микроскопом».
