Ученые впервые увидели, как электроны образуют «пятнистые» узоры внутри квантовых материалов

Ученые впервые получили беспрецедентное наноразмерное изображение того, как электроны организуются внутри квантового материала. Вопреки ожиданиям, картина оказалась гораздо более хаотичной и неоднородной.

В квантовых материалах электронный порядок редко формируется гладко и равномерно. Вместо этого он часто проявляется в виде сложных узоров, различающихся от области к области. Известным примером является волна зарядовой плотности (CDW) — состояние, при котором электроны при низких температурах организуются в повторяющиеся структуры. Исследователи долгое время не могли напрямую наблюдать, как меняется их сила и пространственная когерентность во время фазового перехода.

Команда под руководством профессора физики Ёнсу Яна из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) совместно с коллегами из Стэнфордского университета совершила прорыв. Впервые они напрямую визуализировали, как амплитуда волны зарядовой плотности эволюционирует в пространстве внутри квантового материала.

Для этого исследователи использовали электронный микроскоп, охлаждаемый жидким гелием, в сочетании с четырехмерной сканирующей просвечивающей электронной микроскопией (4D-STEM). Эта передовая установка позволила отследить, как порядок CDW формируется, ослабевает и разрушается при изменении температуры. Ученые смогли создать детальные наноразмерные карты, показывающие не только наличие электронного порядка, но и его силу и связь между разными областями.

Этот процесс можно сравнить с наблюдением за образованием кристаллов льда при замерзании воды, снятым с огромным увеличением. Однако в данном случае команда наблюдала за организацией электронов при температурах, близких к -253°C. Их микроскоп мог различать структуры размером в одну стотысячную толщины человеческого волоса. Изображения показали, что электронный порядок распространяется неравномерно. В одних областях были четкие, хорошо определенные узоры, в то время как в соседних их не было вовсе, напоминая озеро, где лед образуется разрозненными пятнами, а не покрывает всю поверхность сразу.

Исследование также выявило, что эти неравномерные узоры тесно связаны с крошечными искажениями внутри кристалла. Даже незначительные деформации, слишком малые для обнаружения обычными оптическими методами, были способны значительно ослабить амплитуду CDW. Эта сильная связь между деформацией и электронным порядком является прямым доказательством того, что тонкие искажения решетки играют решающую роль в формировании этих узоров.

Еще одним неожиданным результатом стало открытие, что небольшие участки с порядком CDW могут сохраняться даже при температуре выше точки перехода, где дальний порядок, как ожидается, должен исчезнуть. Эти изолированные области указывают на то, что переход не является простым и равномерным процессом. Вместо того чтобы исчезнуть мгновенно, электронный порядок постепенно теряет свою пространственную когерентность.

Ключевым достижением работы стало первое прямое измерение корреляций амплитуды CDW. Изучая, как сила электронного порядка в одном месте соотносится с силой в другом, исследователи показали, как когерентность нарушается при переходе, в то время как локальная амплитуда сохраняется. Такой уровень детализации был недоступен при использовании традиционных методов дифракции или сканирующей зондовой микроскопии.

Профессор Ёнсу Ян подчеркнул важность результатов: «До сих пор пространственная когерентность волн зарядовой плотности в основном определялась косвенно. Наш подход позволяет напрямую визуализировать, как электронный порядок меняется в пространстве и при изменении температуры, а также выявить факторы, которые локально его стабилизируют или подавляют».

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.