Квантовое столпотворение или смешение фаз на уровне электронов.

Источник.

Есть такие материалы, которые на атомном уровне выглядят словно мозаика из треугольных плиток. От веществ с другими соединениями они отличаются тем, что иногда обладают удивительно парадоксальными свойствами, одно из которых – внезапное изменение электропроводимости от состояния суперпроводника до почти абсолютного диэлектрика. Довольно продолжительное время учёные не могли понять в чём причина такого поведения, и вот наконец-то адепты квантовой физики нашли ответ.

Используя комбинацию передовых вычислительных методов, учёные обнаружили, что в особых условиях эти материалы с треугольным рисунком могут оказаться в так называемом мэшапе (в музыке – способ смешения наложением друг на друга двух похожих мелодий в рамках одной композиции, а также сама такая композиция) из трёх разных фаз одновременно. Соревнующиеся фазы перекрываются, и каждая из них борется за господство. В результате материал неожиданно становится более упорядоченным при нагревании, сообщают учёные в журнале Physical Review X.

«Это неизведанная территория, — говорит ведущий автор исследования Александр Уаетек, научный сотрудник Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона (CCQ) в Нью-Йорке. – Экспериментаторы видели эти специфические свойства, но они не знали, что делают отдельные электроны в материалах. Наша роль как теоретиков состоит в том, чтобы понять снизу вверх, что на самом деле происходит».

Учёный уверен, что результаты исследования поспособствуют разработке материалов для электроники будущего. По его словам, полученные данные о причинах столь странных свойств указывают на то самое неуловимое состояние материи, которое как раз сейчас желают поймать ИТ-инженеры для потенциального использования в квантовых вычислениях с исправлением ошибок.

Соавторами Уаетека в новой статье являются коллеги из CCQ: научный сотрудник Риккардо Росси, учёный-исследователь Майлз Стауденмайр и директор CCQ Антуан Жорж.

Задумываясь о роли электронов в составе какого-либо элемента, мы, обыватели, не замечаем тот факт, что эти самые микрочастицы преобладают. Поэтому очень часто электроны определяют почти все свойства материала: от магнетизма до проводимости и даже цвета.

Как же ведут себя столь важные частицы в материалах? 

Понимание коллективного поведения электронов — монументальная задача. Когда две частицы взаимодействуют, они становятся квантово-механически запутанными друг с другом. То есть, даже когда они разлучены, их судьбы остаются переплетёнными, и с ними уже нельзя обращаться по отдельности.

Естественно, поведение электронов в целом материале зависит прежде всего от атомной решётки вещества – то есть от расположения атомов в нём. Но треугольный орнамент электронов, вырисовывающийся сквозь атомную решётку, действительно завораживает. 

И дело не только в том, как оригинально и нетривиально это выглядит. А в том, что у электронов есть спин, который может быть направлен либо вверх, либо вниз, и обычно он (электрон) может захотеть иметь отличное от соседей направление вращения. Однако в треугольнике с тремя атомами и только двумя направлениями вращения «кто-то всегда будет несчастлив», — говорит Витек. Это положение вещей провоцирует колебания системы, потому что сами колебания меняют условия и не позволяют системе прийти в равновесие – она ведёт себя как нерешительная особа, которая не может решить, с кем из пригласивших пойти на свидание. Квантовые физики называют это «геометрической фрустрацией».

Ранее экспериментаторы наблюдали неожиданное поведение в материалах с треугольной решёткой, таких как скрученные слои диселенида вольфрама или нитрида бора. Уаетек с коллегами создали простую модель, позволяющую буквально увидеть, что же всё-таки делают электроны. Она представляет собой сетку треугольников, каждый из которых служит местом, где могут обитать электроны. Каждый участок может содержать до двух электронов, если они имеют противоположные спины. В модели было столько же электронов, сколько и узлов.

Несмотря на кажущуюся простоту модели, расчёт коллективного поведения частиц был задачей всё-таки не простой. Поэтому было решено объединить три разных метода вычисления, каждый из которых привносил в проблему уникальные преимущества. Сам Уаетек отмечает, что использование стольких подходов для решения одной проблемы – это целый культурный прогресс в этой области, который позволяет физикам решать более сложные задачи.

В итоге получилось настраивать условия в модели, повышая температуру или изменяя силу взаимодействия между электронами. Естественно – более высокие температуры дают электронам больше энергии, что обычно приводит к увеличению интенсивности колебаний, а прирост в силе взаимодействия приводит к тому, что электроны оседают в одном месте, явление, называемое локализацией.

Проведённые по разным температурам и силам взаимодействия расчёты показали, что модель перешла из металлической фазы в изолирующую. Эта изолирующая фаза была особенно интригующей: как правило, повышение температуры заставляет электроны свободно колебаться и действовать с большим беспорядком. Но в случае треугольной решётки они предпочитали локализоваться и становиться более упорядоченными по мере повышения температуры термостата.

Наблюдая за тем, что делают электроны, исследователи обнаружили причину этого парадоксального эффекта: электроны пытались организоваться одновременно тремя конкурирующими способами. По мере же нагревания материала этот эффект нарушался, отчего система и становилась более упорядоченной.

В первой из трех попыток упорядочения электроны пытались создать чередующиеся столбцы электронов, направленные то вверх, то вниз.

Во втором порядке электроны наклонены. В то время как спин электрона может быть направлен либо вверх, либо вниз, он может наклоняться под углом. В этом случае три электрона в каждом из треугольников решётки ориентируются так, что их углы раздвинуты, причём каждый угол составляет 120 градусов, что в геометрии соответствует равноудалённым вершинам треугольника. А это и есть стабильность.

Третье построение было самым волнующим. Электроны выровнялись таким образом, что их углы вращения имели правостороннюю или левостороннюю схему закручивания в трёх измерениях, но спины при этом постоянно флуктуировали – колебались вокруг средних значений случайным образом. Эта положение дел может указывать на то, что система формирует состояние материи, называемое хиральной спиновой жидкостью. Именно такая фаза может помочь избежать ошибок квантовых вычислений.

Тем не менее, эта модель не раскрывает всех секретов треугольной решётки. Остаётся открытым вопрос, о том, каким образом в некоторых таких материалах обеспечивается сверхпроводимость, при которой электроны свободно текут, но не теряют энергии? Этого эффекта исследователи не наблюдали, поэтому планируют изменить число электронов, чтобы увидеть, появится ли сверхпроводимость.

«Сейчас действительно захватывающее время, потому что методы, которые у нас есть, позволяют нам действительно делать заявления об этих системах, — говорит Уаетек. – За последние пять лет ситуация изменилась: эти методы стали достаточно мощными, чтобы решать проблемы, которые в предыдущие десятилетия считались слишком сложными».

АРМК, по материалам Phys.org