При изменении температуры многие материалы претерпевают фазовый переход, например жидкая вода в лед или металл в сверхпроводник. Иногда такому фазовому переходу сопутствует так называемая петля гистерезиса, так что температуры перехода различны в зависимости от того, охлаждается материал или нагревается.
В новой статье в Physical Review Letters международная исследовательская группа во главе с профессором физики Массачусетского технологического института Нухом Гедиком обнаружила необычный гистерезисный переход в слоистом соединении под названием EuTe 4 , где гистерезис охватывает гигантский температурный диапазон более 400 кельвинов. Этот большой тепловой диапазон не только бьет рекорд среди кристаллических твердых тел ., но и обещает ввести новый тип перехода в материалах, обладающих слоистой структурой. Эти результаты создадут новую платформу для фундаментальных исследований гистерезисного поведения твердых тел в экстремальных диапазонах температур. Кроме того, множество метастабильных состояний, находящихся внутри гигантской петли гистерезиса, предоставляют ученым широкие возможности для тонкого управления электрическими свойствами материала, что может найти применение в электрических переключателях следующего поколения или энергонезависимой памяти, типе компьютерной памяти, которая сохраняет данные. при выключенном питании.
В число исследователей входят постдокторант Байцин Лю и аспирант Альфред Зонг, доктор философии. из лаборатории Gedik, а также еще 26 из 14 учреждений по всему миру. В экспериментальных работах, выполненных в этой статье, использовались современные синхротронные установки в США и Китае, где яркие источники света генерируются быстро движущимися заряженными частицами по круговой траектории длиной в километр, а интенсивный свет фокусируется на EuTe 4 , чтобы раскрыть его внутреннюю структуру. Гедик и его группа также сотрудничали с группой теоретиков, включая профессора Бориса Файна и А.В. Рожкова из Германии и России, которые помогли объединить многие части головоломки в экспериментальных наблюдениях в непротиворечивую картину.
Гистерезис и тепловая память
Гистерезис — это явление, при котором реакция материала на возмущение, такое как изменение температуры, зависит от истории материала. Гистерезис указывает на то, что система попала в ловушку некоторого локального, но не глобального минимума в энергетическом ландшафте. В кристаллических твердых телах, характеризующихся дальним порядком, т. е. имеющим периодический характер расположения атомов по всему кристаллу, гистерезис обычно имеет место в довольно узком диапазоне температур, в большинстве случаев от единиц до десятков кельвинов.
«Вместо этого в EuTe 4 мы обнаружили чрезвычайно широкий температурный диапазон для гистерезиса более 400 кельвинов», — говорит Лю. «Фактическое число может быть намного больше, поскольку это значение ограничено возможностями современных экспериментальных методов. Это открытие сразу же привлекло наше внимание, и наша объединенная экспериментальная и теоретическая характеристика EuTe 4 бросает вызов общепринятому мнению о типе гистерезисных переходов, которые могут происходят в кристаллах ».
Одним из проявлений гистерезисного поведения является электрическое сопротивление материала. Охлаждая или нагревая кристаллы EuTe 4 , исследователи смогли изменить их электрическое сопротивление на порядки.
«Значение удельного сопротивления при заданной температуре, скажем, при комнатной температуре, зависит от того, был ли раньше кристалл холоднее или горячее», — объясняет Зонг. «Это наблюдение указывает нам на то, что электрические свойства материала каким-то образом сохраняют память о своей термической истории, и на микроскопическом уровне свойства материала могут сохранять черты другой температуры в прошлом. Такую «тепловую память» можно использовать как постоянный регистратор температуры. Например, измерив электрическое сопротивление EuTe 4 при комнатной температуре, мы сразу узнаем, какая самая низкая или самая высокая температура испытала материал в прошлом».
Найдены странности
Исследователи также обнаружили несколько странностей в гистерезисе. Например, в отличие от других фазовых переходов в кристаллах они не наблюдали никаких изменений в электронной или решеточной структуре в большом диапазоне температур. «Отсутствие микроскопических изменений кажется нам действительно странным, — добавляет Лю .
Одним из ключей к разгадке для исследователей является то, как электроны расположены в EuTe 4 . «При комнатной температуре электроны в кристалле EuTe 4 спонтанно конденсируются в области с низкой и высокой плотностью, образуя вторичный электронный кристалл поверх исходной периодической решетки», — объясняет Зонг. «Мы полагаем, что странности, связанные с гигантской петлей гистерезиса, могут быть связаны с этим вторичным электронным кристаллом, где различные слои этого соединения демонстрируют беспорядочное движение при установлении дальней периодичности».
«Слоистая природа EuTe 4 имеет решающее значение в этом объяснении гистерезиса, — говорит Лю. »
Следующим шагом является разработка способов, помимо изменения температуры, чтобы индуцировать эти метастабильные состояния в EuTe 4 . Это позволит ученым манипулировать его электрическими свойствами технологически полезными способами.
«Мы можем производить интенсивные лазерные импульсы короче одной миллионной миллионной доли секунды», — говорит Гедик. «Следующая цель — перевести EuTe 4 в другое резистивное состояние после единственной вспышки света, сделав его сверхбыстрым электрическим переключателем, который можно использовать, например, в вычислительных устройствах».
