Физики выяснили, как квантовый материал восстановился после лазерных импульсов

Фото из открытых источников

Квантовые компьютеры у нас уже есть, но они узкоспециализированы, не особенно практичны и охватывают лишь малую часть потенциала производительности, который, по мнению ученых, в конечном итоге может раскрыть эта технология.

Квантовые материалы могут содержать несколько конкурирующих электронных состояний, и выяснение того, как эти состояния формируются, является давней проблемой, что и приводит нас к новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Physics.

В исследовании, проведенном международной группой ученых, изучается, как две фазы волны плотности заряда (CDW) могут возникать и сосуществовать в одном и том же материале. Исследователи используют эти относительно простые фазы поведения электронов в качестве модели для понимания конкуренции фаз в более сложных квантовых материалах, включая материалы со сверхпроводимостью и магнетизмом.

«Как и сверхпроводимость, волны плотности заряда — это коллективное явление, при котором электроны движутся вместе определенным образом», — говорит физик Ифань Су из Массачусетского технологического института. «Сила волн зарядовой плотности заключается в том, что они представляют собой гораздо более простую форму материи по сравнению со сверхпроводимостью. Они открывают широкие возможности для фундаментального понимания».

Для своего эксперимента исследователи выбрали трителлурид эрбия, который, как известно, способен одновременно содержать два порядка волны зарядовой плотности (CDW) — по сути, различные схемы электронной плотности, влияющие на поведение материала, — определяющие две квантовые фазы.

При температуре ниже примерно –8 °C в трителлуриде эрбия образуется одна доминирующая волна зарядовой плотности (CDW). Вторая волна зарядовой плотности появляется при температуре ниже примерно −113 °C, проходя перпендикулярно первой через кристалл и образуя «шахматную доску».

Для появления этих конкурирующих, сосуществующих волн критической плотности необходимы низкие температуры, но их сложно изучать в нормальном, равновесном состоянии.

«Механизм, ответственный за возникновение этой второй фазы, долгое время был предметом дискуссий, и наш подход предоставляет мощный новый способ раскрыть скрытую физику фазовых переходов в квантовых материалах», — говорит физик Нух Гедик из Массачусетского технологического института.

Чтобы воочию увидеть, что происходит, команда использовала двойной удар: короткие и интенсивные лазерные импульсы.

Первый импульс встряхнул «шахматную доску» пересекающихся электронных фаз, так что им пришлось перестраиваться. Второй импульс использовался для измерения перестройки волн зарядовой плотности.

В то время как первая, доминирующая фаза вернулась, как и ожидали исследователи — постепенно и равномерно, — вторая фаза оказалась более необычной, появившись в виде отдельных очагов, которые затем распространились по всему материалу, подобно кристаллам льда, появляющимся при замерзании воды.

По сути, результаты показывают, что две фазы CDW формируются посредством принципиально разных механизмов.

«Один из важнейших вопросов в физике — почему одни материалы имеют несколько фаз, а другие — нет», — говорит Гедик. «А как взаимодействуют несколько фаз, если их несколько? Усиливают ли они друг друга, конкурируют или сосуществуют независимо?»

Если вы не физик, то связь с ними может быть не сразу очевидна, но именно эти фазы делают квантовые материалы такими особенными — и потенциально такими полезными. Более глубокое понимание этих фаз в конечном итоге поможет нам понять, как инициировать и контролировать их.

«В гораздо более сложных системах, таких как высокотемпературные сверхпроводники, наблюдается наличие множества фаз — магнетизма, сверхпроводимости, волн плотности заряда, и все они существуют одновременно», — говорит Гедик. «Одна из теорий заключается в том, что способ их взаимодействия друг с другом является ключевым фактором, определяющим их экзотические свойства. Полученные здесь знания могут быть применены к гораздо более сложным материалам».

Исследователи предполагают, что в будущих исследованиях можно будет проанализировать эти более сложные материалы, используя тот же метод лазерных импульсов, что и здесь, и таким образом получить больше информации о том, как квантовые материалы приобретают свои характеристики.

Это также может быть полезно для электроники: в будущем, возможно, удастся заменить кремниевые чипы обычных систем другими, более совершенными материалами, но только если мы сможем создавать и контролировать их с очень высокой точностью.

«Люди считают, что краеугольным камнем замены кремния являются квантовые материалы, имеющие несколько сосуществующих фаз», — говорит физик Альфред Зонг из Массачусетского технологического института. «Наш эксперимент предоставляет очень удобный способ изучения этих многочисленных фаз».