Химия, а не геометрия: новый квантовый материал демонстрирует необычное поведение электронов

Атомные орбитали (красные и синие), которые определяют, насколько далеко электроны могут перемещаться вокруг своего атома в материале, могут «запирать» эти электроны — новый источник «фрустрации», который исследователи теперь могут использовать для создания квантовых состояний. Автор: Аравинд Девараконда, Колумбийский университет.

Химия и физика объединились в Колумбийском университете, и это вызывает «фрустрацию» — в хорошем смысле. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, описывает новый двумерный материал, способный демонстрировать сложные квантовые свойства благодаря своей химической структуре, а не атомному строению.

«Это классическая история Колумбийского университета — несколько групп физиков и химиков объединились для работы над этим материалом, и мы обнаружили удивительные результаты о движении электронов», — сказал Аравинд Девараконда, прикладной физик из Columbia Engineering.

Материал Pd₅AlI₂ демонстрирует так называемую «фрустрацию» движения электронов. Он металлический, стабилен на воздухе и может быть расслоен на атомарно тонкие листы. Это простой, но перспективный материал для поиска «плоских зон» — уникальных электронных структур, которые в будущем могут привести к созданию новых квантовых технологий, таких как высокотемпературные сверхпроводники и магниты без редкоземельных элементов.

Новый взгляд на «фрустрацию»

Многие квантовые явления, такие как сверхпроводимость и необычные формы магнетизма, возникают, когда электроны ведут себя вопреки законам классической физики, утверждающим, что эти частицы отталкиваются друг от друга. Однако в некоторых условиях электроны могут вынужденно объединяться. Один из способов добиться этого — создать «фрустрацию».

Фрустрация возникает, когда электроны в материале не могут найти стабильное положение относительно энергий друг друга. До сих пор это объяснялось геометрией: кристаллы, состоящие из треугольников или квадратов, создают физический конфликт между электронами и «ловят» их вместе. В теории это может привести к коллективным квантовым эффектам — но материалов с такой геометрией крайне мало.

Pd₅AlI₂ вносит фрустрацию за счёт химии, а не только кристаллической структуры.

«Мы нашли совершенно новый способ думать о фрустрации, объединяющий взгляд химиков на химические связи и физиков на кристаллические решётки», — сказал химик Колумбийского университета Ксавье Рой, в лаборатории которого создали этот металл.

Перспективы и применение

Команда продолжает исследовать Pd₅AlI₂ и подобные материалы. Например, Девараконда экспериментирует с механическим напряжением, чтобы контролировать их свойства. Учёные видят потенциал в создании новых квантовых сенсоров и высокотемпературных магнитов. Поскольку электроны «заперты», можно фиксировать их свойства, например направление спина, для детектирования изменений в окружающей среде.

Также материал может помочь снизить зависимость от редкоземельных элементов, используемых в магнитах для электродвигателей и ветрогенераторов. Однако сам Pd₅AlI₂ недёшев, поэтому команда планирует использовать ИИ для поиска более доступных аналогов.

«Теоретически возможность фрустрации из-за орбиталей обсуждалась, но теперь у нас есть конкретный пример. Мы ищем другие комбинации элементов, которые могут создавать подобные эффекты», — сказал Девараконда.

Подробнее: Aravind Devarakonda et al, Frustrated electron hopping from the orbital configuration in a two-dimensional lattice, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02953-2

Источник: Columbia University