Электронный муар как новое состояние материи.

Художественная иллюстрация узора, который проявляется в скрученном многослойном материале. Этот паттерн является ключом к обнаружению необычного поведения квантовых электронов. Авторы и права: Дж. Ф. Подевин для физического факультета Принстонского университета. Источник. 

Недавний эксперимент, подробно описанный в журнале Nature, ставит под сомнение представления учёных о том, как электроны ведут себя в квантовых материалах. Сложив один поверх другого слои вещества, 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 авторы называют новым электронным состоянием материи.

«Это действительно совершенно новый горизонт, – объясняет 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».

Главенствующее сегодня понимание поведения и взаимодействия электронов в металлах описывается теорией, которая хорошо работает с двух- и трёхмерными системами, но не подходит для объяснения явлений в одном измерении.

«Эта теория описывает большинство известных нам металлов, – говорит Ву. – В ней говорится, что электроны в металле, хотя и сильно взаимодействуют, 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 жидкости Латтинджера», также описывающей взаимодействие между электронами, но происходящее уже совсем по-другому.

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

Теория ферми-жидкости впервые была выдвинута советским физиком-теоретиком Львом Давидовичем Ландау, лауреатом Нобелевской премии. Из трёх главных её предположений следует так много выводов, что, по сути, она сделала возможными расчёты энергии квазичастиц, составляющих эти квантовые жидкости, особенностью которых является взаимодействие электронов. 

Что же касается теории Латтинджера, она прошла долгий путь, прежде чем была принята физиками. Впервые теоретическая модель была предложена японским лауреатом Нобелевской премии Шиньичиро Томонага в 1950-х годах, а Хоакин Маздак Латтинджер, американский физик, независимо переформулировал её несколько позже – в 1963 году. Он, однако, предложил неверное решение, оспоренное в 1965 году принстонским математиком и физиком Эллиоттом Либом, являющимся сегодня почётным профессором физики Юджина Хиггинса. Он-то и представил, в конце концов, правильное решение. 

Далее, уже в 1981, другой физик и лауреат Нобелевской премии, Ф. Дункан Холдейн, профессор физики Принстонского университета Шермана Фэйрчайлда, использовал эту модель, чтобы понять эффекты взаимодействия одномерных металлов. Холдейн ввёл термин «жидкости Латтинджера» и заложил основу современной этой теории как общего описания одномерных металлов.

В течение долгого времени эти две теории жидкостей – Ферми и Латтинджера – были центральными для понимания поведения электронов в физике конденсированных сред в зависимости от их размерности. Однако намёки на то, что подобная классификация выглядит слишком уж упрощённой и в действительности взаимодействия электронов намного сложнее – тоже имели место. И вот, в 90-х годах, физик из Принстона Филип Андерсон – кстати, ещё один Нобелевский лауреат, – предположил, что могут быть определенные «экзотические» условия, когда поведение электронов в двумерных системах иногда может следовать предсказаниям теории жидкости Латтинджера. Другими словами, зная, что по научной традиции электроны в двумерных системах объясняются теорией жидкости Ферми, Андерсон задавался вопросом, могут ли эти электроны вопреки здравому смыслу вести себя как жидкость Латтинджера, словно находясь в одномерной системе.

Но затишье в этих исследованиях с тех пор не было полным. В 2014 году объёмные кристаллы дителлурида вольфрама, выращенные в лаборатории Кавы и изученные в лаборатории Юджина Хиггинса профессором физики Н. Фуаном Онгом, позволили обнаружить необычные свойства этого вещества. Это исследование, заслужившее тогда большую популярность в научной среде, привело ко множеству экспериментов с новым материалом. В том же году его топологические свойства посредством одних лишь теоретических исследований в Принстоне предсказал профессор физики Б. Андрей Берневиг, и примерно в то же время Ву начал работу над двумерными версиями этого материала, в ходе чего и разработал ряд экспериментальных методов для их создания и исследования. 

Это было во многом гипотетически, и не имело даже намёка на поиск «экзотических» условий, предположенных Андерсоном около 30 лет назад. Да и вообще не было никаких экспериментов, которые можно было бы связать с этими экзотическими случаями.

По крайней мере, до настоящего момента, когда было обнаружено экспериментально, что в специально созданной двумерной структуре при охлаждении до очень низких температур электроны внезапно всё-таки начинают себя вести так, как предсказывает теория жидкости Латтинджера. То есть они вели себя, как коррелированные электроны в одномерном состоянии.

Итак, исследователи провели свой эксперимент, используя материал, называемый дителлурид вольфрама (WTe₂), слоистый полуметалл (соединение, обладающее промежуточными свойствами, ставящими вещество между металлами и изоляторами). Исследователи из Принстона Лесли Шуп, доцент кафедры химии, и Роберт Кава, профессор химии Рассела Веллмана Мура, со своими командами создали кристаллы дителлурида вольфрама высочайшего качества. Дефекты в них могут влиять как на экспериментальные результаты, так и на их интерпретацию. Так что чем чище объёмный кристалл, тем меньше ошибок. Затем команда Ву срезала с них отдельные атомарные слои и сложила два из них вертикально для исследования.

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

Первоначальным намерением было наблюдение за тем, как глубина закручивания (угол поворота слоёв относительно друг друга) повлияет на другие типы квантовых явлений. Но то, что исследователи обнаружили, было столь поразительно, что изменило планы.

«Поначалу мы были сбиты с толку результатами, – делится впечатлениями о предположительной ошибке профессор Ван. – Но оказалось, что всё правильно».

Это стало, как он выразился, «чисто экспериментальным сюрпризом». Исследователи заметили, что электроны – вместо того, чтобы действовать свободно, как им и подобает в трёхмерной форме вещества – выстроились сильным скоплением в линейный массив, что свойственно им лишь в одномерной системе.

«Что мы обнаружили, так это, что электроны в этом двумерном закрученном нами муаре, внезапно становятся массивом одномерных проводников, когда вы понижаете температуру, охлаждая материал. Это очень экзотично. Любая идея, предлагавшая реализовать физику жидкости Латтинджера в 2D-системе, считалась очень сложной для реализации. Мы впервые сделали это используя двухслойный дителлурид вольфрама. То, что вы имеете здесь, на самом деле является двумерным металлическим состоянием, которое не описывается стандартной теорией ферми-жидкости, – поясняет Ву. – Впервые мы обнаруживаем совершенно новую электронную фазу вещества в двух измерениях, описанную жидкостной теорией Латтинджера».

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

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

На первый взгляд может показаться, что новая металлическая фаза найдёт множество практических применений, однако сам Санфэн Ву предостерегает от опрометчивости, ведь это были только предварительные исследования. Прежде, чем такие приложения могут быть реализованы, необходимо провести много работы.

Тем не менее оптимизм по поводу значения этого открытия весьма обоснован. По его же заявлению, это открывает совершенно новое окно для изучения новых квантовых фаз материи. 

«В ближайшие годы мы увидим много новых результатов этого исследования, – говорит он. – Мы только начинаем прикасаться к физике, исходящей из этой совершенно новой квантовой системы. Это очень волнительно. Мы задаёмся многими вопросами по квантовой физике, которые теперь можно будет проверить экспериментально, что раньше было просто невозможно».

АРМК, по материаламPhys.org иPrinceton University