За последние десять лет учёные добились серьёзных успехов в разработке двумерных материалов с необычными квантовыми свойствами, которые в перспективе могут лечь в основу технологий нового поколения. Некоторые из таких материалов способны становиться сверхпроводниками, пропуская электричество без потерь энергии. Другие переходят в состояние зарядового порядка, когда электроны выстраиваются в упорядоченные структуры вместо свободного движения.
Специалисты Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) обнаружили неожиданную форму поведения в одном из подобных материалов — Fe5GeTe2. Выяснилось, что он может переходить в состояние зарядового порядка, при котором большое количество электронов движется вместе крайне медленно, сохраняя при этом квантовую когерентность. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, были получены в лаборатории доцента Шуолуна Яна и ставят под сомнение существующие представления о поведении этого материала.
«Это фундаментальное открытие, которое отклоняется от теоретических предсказаний, — заявил Ян. — Теперь нам придётся заново осмыслить магнитные взаимодействия в этом материале, но это также открывает новые возможности для использования его в новых типах запоминающих устройств».
Fe5GeTe2, открытый семь лет назад, относится к семейству материалов, известных как ван-дер-ваальсовы магниты. Поскольку из них можно формировать слои толщиной в один атом, исследователи изучают, способны ли они обеспечить создание технологий памяти, отличных от устройств на основе обычных магнитных материалов. Ян и его коллеги, включая постдокторантов Габриэле Берруто и Цян Гао, исследовали Fe5GeTe2 методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Этот метод облучает материал фотонами и выбивает электроны с его поверхности, что позволяет картировать электронную структуру и магнитные состояния.
Команда сфокусировала ультрафиолетовый лазер на области размером всего 10 микрометров. Увиденное оказалось неожиданным: материал продемонстрировал плоскую электронную зону, то есть диапазон энергий электронов, связанных с электропроводностью, менялся очень слабо. В такой зоне электроны движутся через материал не так быстро, как обычно, а могут становиться крайне медленными, ведя себя коллективно. «Мы измеряем не один электрон, — пояснил Ян. — Мы измеряем взаимодействие тысяч или миллионов электронов, и все они движутся вместе когерентным образом. Это квантовое многочастичное явление, и это на самом деле очень странная вещь».
Ян сравнивает такое поведение с водой, стекающей по водопаду: крутой склон заставляет воду двигаться быстро, пологий — медленнее. Аналогично плоская электронная зона соответствует значительно более медленному движению электронов. Открытие меняет понимание Fe5GeTe2 — материала, который может существовать в нескольких различных атомных конфигурациях. «С научной точки зрения это говорит о том, что магнитные взаимодействия внутри материала полностью отличаются от того, что предсказывает теория», — отметил Берруто. Необычное поведение может иметь и практические последствия: поскольку Fe5GeTe2 способен находиться в разных магнитных состояниях, их потенциально можно использовать для представления и хранения информации. Сейчас Ян и его коллеги изучают, можно ли с помощью остро сфокусированного лазера переключать материал между этой квантовой многочастичной фазой и другими фазами. Их работа указывает на то, что такое переключение возможно, что повышает шансы на eventualное (возможное) внедрение эффекта в запоминающее устройство.
Многие необычные квантовые эффекты сохраняются лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. В данном случае, однако, исследователи обнаружили, что когерентное поведение сохранялось вплоть до 100 градусов выше абсолютного нуля. Это по-прежнему намного ниже комнатной температуры, но относительно высоко по сравнению с аналогичными квантовыми материалами и делает результат особенно перспективным для будущих применений. «Если мы в конечном итоге захотим использовать это в запоминающем устройстве, оно должно работать при комнатной температуре», — сказал Гао, ныне научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Следующая цель команды — определить, сохраняются ли те же свойства, когда Fe5GeTe2 расслаивается до толщины в один атомный слой.
Исследование стало одной из последних научных публикаций с участием Питера Литтлвуда, выдающегося физика Чикагского университета, скончавшегося 15 июня. «Он был великим физиком-теоретиком и лидером в области исследований квантовых материалов в Чикагском университете, — сказал Ян. — Мы посвящаем эту работу ему». Среди других авторов статьи — Кхань Зуй Нгуен, Чаовэй Ху, Пол Малиновски, Хаоран Линь, Бомджун Го, Бо Гю Джан, Сяодун Сюй и Джиун-Ха Чу. Работа в Чикагском университете была поддержана Министерством энергетики США (грант № DE-SC0022960) и частично Фондом Гордона и Бетти Мур (грант № GBMF12763).