Ένα ποτήρι με νερό και πάγο δείχνει πώς δύο φάσεις μπορούν να συνυπάρχουν στην ίδια ουσία. Σε ορισμένα κβαντικά υλικά, διαφορετικές φάσεις επίσης συνυπάρχουν, αλλά η συμπεριφορά τους είναι πολύ πιο περίπλοκη.
Φυσικοί του MIT αποκάλυψαν νέα στοιχεία για το πώς δύο ξεχωριστές μορφές οργάνωσης των ηλεκτρονίων εμφανίζονται μέσα στο ίδιο κβαντικό υλικό.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics, μπορούν να βελτιώσουν την κατανόηση υλικών με υπεραγωγιμότητα, μαγνητισμό και άλλες ηλεκτρονικές φάσεις. Η κατανόηση του πώς προκύπτουν και αλληλεπιδρούν αυτές οι φάσεις θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερο έλεγχο των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων και σε ισχυρότερες κβαντικές συσκευές.
«Πολλοί πιστεύουν ότι το κλειδί για να αντικατασταθεί το πυρίτιο βρίσκεται σε κβαντικά υλικά με πολλαπλές συνυπάρχουσες φάσεις», λέει ο συν-συγγραφέας Alfred Zong PhD ’20, που συν-ηγήθηκε τη μελέτη ως μεταπτυχιακός στο MIT και είναι σήμερα επίκουρος καθηγητής στο Stanford University. «Το πείραμά μας προσφέρει έναν πολύ κομψό τρόπο να μελετήσουμε αυτές τις πολλαπλές φάσεις».
Η ομάδα, με επικεφαλής τον Nuh Gedik, Donner Professor of Physics στο MIT, μελέτησε τριτελουρίδιο ερβίου, ένα υλικό σπανίων γαιών με ασυνήθιστη ηλεκτρονική συμπεριφορά.
Σε συνήθεις συνθήκες, τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σχετικά ομοιόμορφα στο τριτελουρίδιο ερβίου. Όταν όμως το υλικό ψύχεται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να οργανώνονται σε μια κυματική διάταξη που ονομάζεται «κύμα πυκνότητας φορτίου» (charge density wave, CDW).
Με περαιτέρω ψύξη, εμφανίζεται ένα δεύτερο κυματικό μοτίβο κάθετα στο πρώτο. Μαζί, οι δύο φάσεις σχηματίζουν μια «σκακιέρα» σε ατομική κλίμακα.
Ο Gedik και οι συνεργάτες του κατάφεραν να απομονώσουν τη συμπεριφορά των δύο φάσεων και να παρακολουθήσουν πώς αναπτύσσεται καθεμία. Η πρώτη φάση εμφανίστηκε σταδιακά σε όλο το υλικό, όπως το νερό που μετατρέπεται προοδευτικά σε ατμό. Αυτό ταιριάζει με την κλασική εικόνα πολλών ηλεκτρονικών μεταβάσεων φάσης.
Η δεύτερη φάση συμπεριφέρθηκε πολύ διαφορετικά. Αντί να εμφανιστεί ομαλά, ξεκίνησε σε μεμονωμένες περιοχές που επεκτάθηκαν προς τα έξω, θυμίζοντας τον τρόπο που σχηματίζονται κρύσταλλοι πάγου στο νερό.
«Ο μηχανισμός πίσω από την εμφάνιση αυτής της δεύτερης φάσης έχει αποτελέσει αντικείμενο συζήτησης για καιρό, και η προσέγγισή μας προσφέρει έναν ισχυρό νέο τρόπο να αποκαλύψουμε τη “κρυμμένη” φυσική των μεταβάσεων φάσης σε κβαντικά υλικά», σημειώνει ο Gedik.
Συγγραφείς από το MIT είναι επίσης οι πρώτοι συγγραφείς Yifan Su PhD ’24 και Bai-Qing Lv, πρώην μεταδιδάκτορας· ο Dongsung Choi SM ’17, PhD ’24· και οι πρώην μεταδιδάκτορες Doron Azoury και Masataka Mogi, μαζί με συνεργάτες από πολλά άλλα ιδρύματα.
Ένα κύμα πυκνότητας φορτίου σχηματίζεται όταν τα ηλεκτρικά φορτία, όπως τα ηλεκτρόνια, οργανώνονται αυθόρμητα σε επαναλαμβανόμενο κυματικό μοτίβο. Στις κορυφές συγκεντρώνονται περισσότερα ηλεκτρόνια, ενώ στις κοιλάδες λιγότερα. Σε ορισμένα υλικά, αυτή η συλλογική κατάσταση εμφανίζεται μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Οι φυσικοί μελετούν τα κύματα πυκνότητας φορτίου εδώ και δεκαετίες. Πιο πρόσφατα, εντοπίστηκαν και σε υλικά που εμφανίζουν πιο περίπλοκες συλλογικές συμπεριφορές, όπως μαγνητισμό και υπεραγωγιμότητα, όπου τα ηλεκτρόνια ζευγοποιούνται και κινούνται χωρίς τριβές.
«Όπως και η υπεραγωγιμότητα, τα κύματα πυκνότητας φορτίου είναι ένα συλλογικό φαινόμενο, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται μαζί με συγκεκριμένους τρόπους», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Yifan Su. «Η δύναμη των CDWs είναι ότι αποτελούν μια πολύ απλούστερη μορφή ύλης σε σύγκριση με την υπεραγωγιμότητα. Προσφέρουν ένα πεδίο για θεμελιώδη κατανόηση».
Οι ερευνητές ήθελαν να μελετήσουν ένα υλικό όπου δύο φάσεις CDW συνυπάρχουν ταυτόχρονα. Η κατανόηση του πώς εμφανίζονται και συνυπάρχουν οι δύο κυματικές δομές θα μπορούσε να δώσει ενδείξεις για τις πιο περίπλοκες μεταβάσεις φάσης που εμπλέκονται στην υπεραγωγιμότητα και σε άλλες ασυνήθιστες ηλεκτρονικές καταστάσεις.
«Ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα στη φυσική είναι γιατί ορισμένα υλικά φιλοξενούν πολλαπλές φάσεις ενώ άλλα όχι. Και όταν υπάρχουν πολλαπλές φάσεις, πώς αλληλεπιδρούν; Ενισχύουν η μία την άλλη, ανταγωνίζονται ή συνυπάρχουν ανεξάρτητα;» λέει ο Gedik. «Πρόκειται για μια μελέτη περίπτωσης που μας βοηθά να κατανοήσουμε πολύ πιο περίπλοκα υλικά».
Ήταν ήδη γνωστό ότι το τριτελουρίδιο ερβίου μπορεί να υποστηρίξει δύο διαφορετικά κύματα πυκνότητας φορτίου. Το υλικό μπορεί να παραχθεί στο εργαστήριο ως ατομικά λεπτά φύλλα, κάτι που επιτρέπει τη διερεύνηση ιδιοτήτων σε κβαντική κλίμακα.
Προηγούμενα πειράματα έδειξαν ότι το πρώτο κύμα πυκνότητας φορτίου εμφανίζεται όταν το υλικό ψύχεται στους -8°C. Αυτό το «κυρίαρχο» κύμα εκτείνεται σε μία κατεύθυνση στο υλικό.
Όταν η θερμοκρασία πέσει περαιτέρω στους -113°C, εμφανίζεται ένα δεύτερο, «δευτερεύον» κύμα πυκνότητας φορτίου κάθετα στο πρώτο. Μαζί δημιουργούν το μοτίβο της «σκακιέρας» από συνυπάρχουσες ηλεκτρονικές φάσεις.
Στη νέα μελέτη, η ομάδα του Gedik θέλησε να καθορίσει με ακρίβεια πώς σχηματίζεται καθεμία από τις δύο φάσεις.
Οι ερευνητές παρέλαβαν μικρά, ατομικά λεπτά δείγματα τριτελουριδίου ερβίου από συνεργάτες στο Stanford. Στο εργαστήριο του Gedik, τα ψύξανε περίπου στους -230°C, αρκετά χαμηλά ώστε και τα δύο κύματα πυκνότητας φορτίου να συνυπάρχουν στη διάταξη «σκακιέρας».
Στη συνέχεια διατάραξαν ή και κατέστρεψαν αυτό το ηλεκτρονικό μοτίβο και παρακολούθησαν πώς επανεμφανίστηκαν τα δύο κύματα.
Το πείραμα στηρίχθηκε σε δύο παλμούς λέιζερ με προσεκτικό χρονισμό.
«Έτσι “κουνάμε” και μετά “ακούμε” το σύστημα», λέει ο Gedik.
Ο πρώτος παλμός λειτούργησε ως το «κούνημα», διαλύοντας τη σκακιέρα των ηλεκτρονίων. Μεταβάλλοντας την ένταση, οι ερευνητές έλεγχαν πόσο ισχυρά διατάρασσαν τα κύματα πυκνότητας φορτίου.
Ένας δεύτερος παλμός με φωτόνια υψηλής ενέργειας εκτίνασσε ηλεκτρόνια από το υλικό. Ο παλμός εφαρμοζόταν σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα μετά τον πρώτο και οι ερευνητές μετρούσαν την ενέργεια και την ορμή των εκτινασσόμενων ηλεκτρονίων. Έτσι απέκτησαν μια ακολουθία «στιγμιότυπων» της αποκατάστασης των ηλεκτρονικών φάσεων στον χρόνο.
«Βλέπουμε την καταστροφή αυτών των φάσεων και, αν περιμένουμε αρκετά, επιστρέφουν», εξηγεί ο Gedik. «Και ανάλογα με το πώς τις “χτυπάς”, οι δύο φάσεις αντιδρούν διαφορετικά».
Το κυρίαρχο κύμα πυκνότητας φορτίου επανήλθε σταδιακά και ομοιόμορφα, ανεξάρτητα από το πόσο έντονα είχε αρχικά διαταραχθεί το υλικό. Αυτή η ομαλή ανάκαμψη αντιστοιχεί σε μια «δεύτερης τάξης» μετάβαση φάσης, ανάλογη με τον τρόπο που ένας μαγνήτης χάνει προοδευτικά τον μαγνητισμό του καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Το δεύτερο κύμα επιφύλαξε την έκπληξη. Αντί να επιστρέψει ομοιόμορφα, η δευτερεύουσα φάση ξεκίνησε σε διάσπαρτες «εστίες» που επεκτάθηκαν μέσα στο υλικό, όπως οι κρύσταλλοι πάγου που αναπτύσσονται στο νερό. Αυτή η συμπεριφορά αντιστοιχεί σε μια πιο σπάνια «πρώτης τάξης» μετάβαση και δεν ήταν το αναμενόμενο. Οι παρατηρήσεις επέτρεψαν στην ομάδα να ταυτοποιήσει τον επί μακρόν συζητούμενο μηχανισμό για την εμφάνιση της δευτερεύουσας φάσης CDW.
Οι επιπτώσεις εκτείνονται πέρα από το τριτελουρίδιο ερβίου. Πιο σύνθετα κβαντικά υλικά μπορεί να φιλοξενούν πολλές ηλεκτρονικές φάσεις ταυτόχρονα και οι επιστήμονες υποψιάζονται ότι ο τρόπος αλληλεπίδρασής τους καθορίζει ορισμένες από τις πιο ασυνήθιστες ιδιότητές τους.
«Σε πολύ πιο πολύπλοκα συστήματα, όπως οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, βλέπεις πολλές φάσεις — μαγνητισμό, υπεραγωγιμότητα, κύματα πυκνότητας φορτίου — που συνυπάρχουν», λέει ο Gedik. «Μια από τις θεωρίες είναι ότι ο τρόπος που αλληλεπιδρούν είναι το κλειδί για τις εξωτικές ιδιότητές τους. Τα μαθήματα που παίρνουμε εδώ μπορούν να εφαρμοστούν σε πολύ πιο σύνθετα υλικά».
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το U.S. Department of Energy, το U.S. National Science Foundation και το EPiQS Initiative grant του Gordon and Betty Moore Foundation.
Υλικό παρείχε το Massachusetts Institute of Technology. Κείμενο της Jennifer Chu. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
