«Поющие» электроны синхронизируются в кристаллах кагомэ, демонстрируя геометрически управляемую когерентность

Иллюстрация дальнодействующей электронной когерентности. Автор: Guo et al

Физики из Института структуры и динамики материи Макса Планка (MPSD) в Гамбурге обнаружили новую поразительную форму квантового поведения. В звездообразных кристаллах кагомэ — названных в честь традиционного японского плетения бамбуковых корзин — электроны, которые обычно ведут себя как шумная толпа, внезапно синхронизируются, формируя коллективную «песню», которая эволюционирует вместе с формой кристалла. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что сама геометрия может настраивать квантовую когерентность, открывая новые возможности для создания материалов, в которых форма определяет функцию.

Когерентность без сверхпроводимости

Квантовая когерентность — способность частиц двигаться синхронно, как перекрывающиеся волны — обычно ограничивается экзотическими состояниями, такими как сверхпроводимость, где электроны объединяются в пары и текут когерентно. В обычных металлах столкновения быстро разрушают такую когерентность.

Но в кагомэ-металле CsV₃Sb₅, после создания крошечных кристаллических столбиков размером всего в несколько микрометров и применения магнитных полей, команда MPSD наблюдала осцилляции сопротивления, подобные эффекту Ааронова-Бома. Это демонстрирует, что электроны интерферировали коллективно, сохраняя когерентность далеко за пределами того, что допускает физика одиночных частиц.

«Это не то, на что должны быть способны невзаимодействующие электроны, — говорит Чунью Го, ведущий автор исследования. — Это указывает на когерентное многочастичное состояние».

Квантовое состояние, чувствительное к форме

Что еще более удивительно, осцилляции зависели от геометрии кристалла. Прямоугольные образцы меняли паттерны под прямыми углами, в то время как параллелограммы делали это под углами 60° и 120° — точно соответствуя их геометрии. «Словно электроны знают, находятся ли они в прямоугольнике или параллелограмме, — объясняет Филип Молл, ответственный директор MPSD. — Они поют в гармонии, и песня меняется в зависимости от комнаты, в которой они находятся».

Открытие предлагает новый способ управления квантовыми состояниями: путем придания материалу определенной геометрии. Если когерентностью можно управлять через форму, а не просто наблюдать её, исследователи смогут создавать материалы, которые ведут себя как настроенные инструменты — где структура, а не только химический состав, определяет их резонанс. «Кагомэ-металлы дают нам проблеск когерентности, которая одновременно и устойчива, и чувствительна к форме, — говорит Молл. — Это новый принцип проектирования, которого мы не ожидали».

Осцилляции h/e в CsV₃Sb₅. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09659-8

Более широкий резонанс

Решетка кагомэ давно интригует ученых благодаря своей сложной конструкции из переплетенных треугольников и шестиугольников, которые часто геометрически «фрустрируют» электроны и порождают экзотические фазы материи.

Недавние открытия гамбургской команды распространяют этот эффект с атомного уровня на масштаб устройств, демонстрируя, что геометрия влияет на коллективное квантовое поведение электронов. Подобно тому, как хор звучит по-разному в соборе и концертном зале, электроны в этих звездообразных кристаллах, кажется, производят новый звук — на который влияет не только расположение атомов, но и их форма.

В настоящее время это явление ограничено лабораторными условиями, где сфокусированные ионные пучки формируют кристаллы в микрометровые столбики. Однако последствия этого исследования имеют далеко идущий характер. «Как только когерентностью можно будет управлять через форму, а не просто обнаруживать её, граница квантовых материалов может сместиться от химии к архитектуре», — говорит Го.

«Это открывает новый путь для проектирования квантовой функциональности будущей электроники путем изменения геометрии материала».

Больше информации: Chunyu Guo et al, Many-body interference in kagome crystals, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09659-8

Источник: Max Planck Society