За последнее десятилетие ученые добились значительного прогресса в создании двумерных материалов с необычными квантовыми свойствами, которые в перспективе могут стать основой для технологий нового поколения. Некоторые из этих материалов могут становиться сверхпроводниками, позволяя электричеству течь без потерь энергии, в то время как в других возникают зарядовые порядки, при которых электроны выстраиваются в упорядоченные структуры вместо того, чтобы свободно перемещаться.

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) обнаружили неожиданную форму поведения одного из таких материалов, Fe5GeTe2. Они выяснили, что он может переходить в состояние упорядоченного заряда, при котором большое количество электронов движется вместе, но очень медленно, сохраняя при этом квантовую когерентность. Результаты исследования, опубликованные в Science Advances, были получены в лаборатории ассистента профессора. Профессор Шуолун Ян. Это открытие ставит под сомнение существующие представления о поведении материала и может указывать на новые возможности его применения в технологиях.

«Это фундаментальное открытие, которое противоречит теоретическим предсказаниям», — сказал Ян. «Теперь нам нужно вернуться к истокам и заново обдумать магнитные взаимодействия этого материала, но это также открывает новые возможности для использования этого материала в новых типах устройств памяти».

Миллионы электронов движутся вместе

Fe5GeTe2, открытый семь лет назад, относится к семейству материалов, известных как ван-дер-ваальсовы магниты. Поскольку из этих материалов можно формировать атомарно тонкие слои, исследователи изучают возможность создания на их основе технологий памяти, которые будут отличаться от тех, что основаны на традиционных магнитных материалах.

Ян и его коллеги, в том числе постдоки Габриэле Берруто и Цян Гао, исследовали Fe5GeTe2 с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР). Этот метод заключается в том, что на материал направляют фотоны, которые выбивают электроны с его поверхности, что позволяет исследователям составить карту его электронной структуры и магнитных состояний. Команда сфокусировала ультрафиолетовый лазер на участке диаметром всего 10 микрометров. То, что они увидели, было неожиданным. Материал демонстрировал плоскую электронную зону, то есть диапазон энергий электронов, связанных с электропроводностью, менялся очень незначительно.

В плоской зоне электроны движутся по материалу не так быстро, как обычно. Вместо этого они могут двигаться очень медленно, но при этом вести себя коллективно.

«Мы измеряем не один электрон, — сказал Ян. — Мы измеряем взаимодействие тысяч или миллионов электронов, и все они движутся согласованно». Это квантовое многочастичное явление, и на самом деле оно очень странное. 

Квантовая версия замедления времени

Янг сравнивает это явление с течением воды в водопаде. На крутом склоне вода движется быстро, а на пологом — медленнее. Аналогичным образом плоская электронная зона соответствует гораздо более медленному движению электронов. Это открытие меняет представления исследователей о Fe5GeTe2 — материале, который может существовать в нескольких различных атомных конфигурациях.

«С научной точки зрения это говорит о том, что магнитные взаимодействия внутри материала полностью отличаются от тех, что предсказывает теория», — сказал Берруто.

Необычное поведение может иметь и практические последствия. Поскольку Fe5GeTe2 может находиться в различных магнитных состояниях, эти состояния потенциально могут использоваться для представления и хранения информации. Ян и его коллеги сейчас выясняют, может ли сфокусированный лазерный луч переключать материал между этой квантовой многочастичной фазой и другими фазами. Их работа показывает, что такое переключение возможно, а значит, этот эффект в конечном итоге может быть использован в устройствах памяти.

Квантовое поведение при комнатной температуре

Многие необычные квантовые эффекты проявляются только при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако в данном случае исследователи обнаружили, что когерентное поведение сохраняется при температуре на 100 градусов выше абсолютного нуля. Это все еще намного ниже комнатной температуры, но относительно выше по сравнению с аналогичными квантовыми материалами, что делает этот результат особенно перспективным для будущих применений.

«Если мы в конечном итоге захотим использовать его в устройстве памяти, оно должно работать при комнатной температуре», — говорит Гао, который сейчас работает научным сотрудником в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Следующая цель команды — выяснить, сохраняются ли те же свойства, когда Fe5GeTe2 расслаивается до толщины в один атомный слой.

В память о физике Питере Литтлвуде

Это исследование стало одной из последних научных публикаций с участием Питера Литтлвуда, выдающегося физика из Чикагского университета, который скончался 15 июня.

«Он был великим физиком-теоретиком и лидером в области исследований квантовых материалов в Чикагском университете», — сказал Янг. «Мы посвящаем эту статью ему».

Среди других авторов статьи — Кхань Дуй Нгуен, Чаовэй Ху, Пол Малиновски, Хаоран Линь, Бомджун Го, Бо Гю Чан, Сяодун Сюй и Цзюнь-Хо Чу.