«Зомби»-электроны впервые в мире попались в трехмерную ловушку

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв, захватив электроны в трехмерном кристалле. В результате этого достижения исследователи предполагают, что электроны в таком «зомбифицированном» состоянии могут взаимодействовать координированным образом с использованием квантовых свойств. Это открывает двери к экзотическому поведению, такому как сверхпроводимость и уникальные формы магнетизма. Это в свою очередь может привести к созданию более эффективных систем электропередачи, новым основам для развития квантовых вычислений и более интеллектуальным электронным устройствам.


Обычно электроны свободно перемещаются по проводящим материалам, взаимодействуя друг с другом, но не завися от движения своих соратников в решетке. Однако в новом исследовании, опубликованном в журнале «Природа», ученые продемонстрировали, как им удалось запечатлеть электроны в чистом кристалле.

После принуждения электронов оставаться в одном и том же энергетическом состоянии они начинают вести себя так, будто они один организм. Это особое состояние, известное как «плоская полоса электронов», считается результатом электронов, которые «ощущают» квантовые эффекты других электронов в кристалле.

Кристалл был специально синтезирован так, чтобы его структура напоминала жгутовые узоры, подобные тем, которые используются в японском ремесле плетения корзин, называемом «Kagome».


 — автор исследования, доцент физики в MIT Джозеф Чечельский.

В последние годы физикам удавалось захватить электроны в двумерных материалах, но эти электроны часто уходят в третье измерение, что создает сложности в поддержании состояний плоской полосы в трехмерном пространстве.

Для своего исследования команда ученых использовала взаимосвязанные треугольные и шестиугольные двумерные решетки, чтобы синтезировать Kagome-подобную структуру в трехмерном пространстве. В основе кристалла использовался высокосимметричный минерал, называемый пирохлор.


— Джозеф Чечельский.

Однако из-за прочности поверхности кристалла было сложно исследовать его ближе для понимания того, что происходит в определенных местах. Для обхода этой проблемы исследователи использовали спектроскопию фотоэмиссии с высоким разрешением угла. Этот метод позволяет использовать ультрафокусированный луч света для изучения определенных мест кристалла и измерения энергий отдельных электронов.

В результате исследования было обнаружено, что замена никеля на родий и рутений действительно сдвигает плоскую полосу электронов к нулевой энергии, что означает наличие сверхпроводимости. Исследователи полагают, что это открывает новую парадигму для поиска новых и интересных квантовых материалов. Они надеются оптимизировать эти материалы для достижения сверхпроводимости при более высоких температурах.