Открыто новое электронное состояние вещества

Группа физиков из США и Израиля обнаружила новое состояние вещества, которое характеризуется необычным упорядочением электронов. «Открытие этого состояния было совершенно неожиданным и не основанным на каких-либо предварительных теоретических предсказаниях. Вся сфера электронных материалов опирается на поиск новых состояний, которые обеспечивают площадки для поиска новых макроскопических физических свойств», — говорит доктор Дэвид Се из Калифорнийского технологического института в Пасадене, штат Калифорния.

Доктор Се и его коллеги из Тель-Авивского университета, Калтеха, Университета штата Айова и Университета Кентукки сделали открытие, испытывая лазерную методику измерения, которую недавно разработали для поиска так называемого многополярного порядка.

«Чтобы понять многополярный порядок, сначала представьте кристалл с электронами, которые движутся по его интерьеру. При определенных условиях этим зарядам может быть энергетически выгодно накапливаться регулярным повторяющимся образом в этом кристалле, образуя так называемое упорядоченное зарядом состояние», говорят ученые.

«Кирпичик этого типа порядка, а именно заряд, является просто скалярной величиной — то есть может быть описан простым числовым значением, или величиной. В дополнение к заряду, электроны также имеют степень свободы, известной как спин».

«Когда спины выстраиваются параллельно друг другу, они образуют ферромагнетик. Поскольку спин имеет как величину, так и направление, упорядоченное спином состояние описывается вектором».

За несколько десятилетий ученые разработали сложные методы для поиска обоих типов этих состояний.

«Но что, если электроны в веществе не выстраиваются ни одним из этих способов? Другими словами, что, если этот порядок будет описываться не скаляром или вектором, а чем-то с большей размерностью, вроде матрицы?

Это может произойти, например, если строительным блоком упорядоченного состояния была пара противоположно направленных спинов, описываемых так называемым магнитным квадруполем. Такие примеры многополярно-упорядоченных состояний вещества сложно обнаружить с помощью традиционных экспериментальных зондов».

Как выяснилось, новое состояние, которое обнаружили доктор Се и его коллеги, представляет именно такой тип многополярного порядка. Чтобы выявить многополярный порядок, команда использовала так называемый эффект генерации оптических гармоник, который проявляется всеми твердыми веществами, но обычно очень слабый.

«Обычно, когда вы смотрите на объект, освещенный светом одной частоты, весь свет, который вы видите, отражается от объекта с этой же частотой. Когда вы направите красную лазерную указку на стену, ваши глаза обнаружат красный свет».

«Однако для всех материалов небольшое количество света отражается кратно входящей частоте. Таким образом, с красной указкой будет также немного голубого света, отскакивающего от стены. Вы просто его не увидите из-за малого процента от всего света. Эти кратности и называются оптическими гармониками».


Физики использовали тот факт, что изменения в симметрии кристалла влияют на силу каждой гармоники по-разному. Поскольку возникновение многополярного упорядочения изменяет симметрию кристалла специфическим образом, ученые подумали о том, что отклик оптической гармоники от кристалла может послужить отпечатком пальца многополярного порядка.

«Мы обнаружили, что свет, отраженный на частоте второй гармоники, показывает набор симметрий, которые полностью отличаются от присущих кристаллической структуре, при том что в этом эффекте совершенно отсутствовал свет, отраженный на основной частоте. Это стало четким отпечатком пальца определенного типа многополярного порядка», говорит Се.

Особое соединение, которое изучали ученые, было стронций-иридий оксидом (Sr2IrO4).

За последние несколько лет стронций-иридий оксидом интересовались очень многие из-за определенных особенностей, которые он разделяет с соединениями на основе оксида меди (купратами). Подобно купратам, иридаты являются электрически изолирующими антиферромагнетиками, которые становятся все более металлическими по мере добавления или удаления из них электронов посредством процесса химического легирования.

Высокий уровень легирования превратит купрат в высокотемпературный сверхпроводник, и когда купраты переходят от изоляторов к сверхпроводникам, они сначала проходят через загадочную фазу, известную как «псевдощель» (pseudogap), во время которой необходимо дополнительное количество энергии для извлечения электронов из материала.

В течение многих лет физики спорили о происхождении псевдощели и ее отношении к сверхпроводимости — является ли она обязательным прекурсором сверхпроводимости или конкурентным состоянием с определенным набором свойств симметрии. Если понять это отношение лучше, возможно, получится разработать сверхпроводники, которые работают при близких к комнатной температурах.

Недавно псевдощелевая фаза также наблюдалась у стронций-иридий оксида. И доктор Се с коллегами обнаружили, что многополярный порядок, который они определили, существует в окне легирования и температуры, где присутствует псевдощель.

«Учитывая весьма схожую феноменологию иридатов и купратов, возможно, иридаты помогут нам решить некоторые из давних дебатов об отношениях между псевдощелью и высокотемпературной сверхпроводимостью, — говорит доктор Се. — Эта находка подчеркивает важность разработки новых инструментов, которые помогут раскрыть новые явления. Кроме того, эти многополярные порядки могут быть и у многих других материалов. Sr2IrO4 — это первое, на что мы взглянули, поэтому эти порядки вполне могут скрываться и в других веществах, и именно это мы будем искать дальше».

Работа ученых была опубликована в журнале Nature Physics.