Учёные обнаружили необычное квантовое состояние: электроны в Fe5GeTe2 движутся коллективно и крайне медленно

Исследователи из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) обнаружили необычное поведение электронов в двумерном материале Fe₅GeTe₂. Оказалось, что материал способен переходить в состояние с зарядовым упорядочением, при котором огромные количества электронов движутся вместе крайне медленно, сохраняя при этом квантовую когерентность.

Результаты работы, опубликованные в журнале Science Advances, получены в лаборатории доцента Шуолун Яна. Открытие противоречит существующим теоретическим представлениям о поведении этого материала и может указать на новые технологические применения.

«Это фундаментальное открытие, отклоняющееся от теоретических предсказаний, — говорит Ян. — Теперь нам придётся заново осмыслить магнитные взаимодействия в этом материале, но это также открывает новые возможности для создания устройств памяти нового типа».

Fe₅GeTe₂, открытый семь лет назад, относится к семейству ван-дер-ваальсовых магнитов. Поскольку такие материалы можно формировать в виде атомарно тонких слоёв, исследователи изучают возможность создания на их основе памяти, отличной от устройств на обычных магнитных материалах.

Ян и его коллеги, включая постдокторантов Габриэле Берруто и Цян Гао, исследовали Fe₅GeTe₂ методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Метод заключается в облучении материала фотонами, которые выбивают электроны с его поверхности, что позволяет картировать электронную структуру и магнитные состояния.

Команда сфокусировала ультрафиолетовый лазер на области шириной всего 10 микрометров. Увиденное оказалось неожиданным: материал продемонстрировал плоскую электронную зону, то есть диапазон энергий электронов, связанных с электропроводностью, менялся очень слабо.

В плоской зоне электроны движутся через материал не так быстро, как обычно. Вместо этого они могут становиться чрезвычайно медленными, ведя себя коллективно.

«Мы измеряем не один электрон, — поясняет Ян. — Мы измеряем взаимодействие тысяч или миллионов электронов, и все они движутся вместе когерентным образом. Это квантовое многочастичное явление, и оно на самом деле очень странное».

Ян сравнивает такое поведение с водой, стекающей с водопада: крутой склон заставляет воду двигаться быстро, пологий — медленнее. Аналогично плоская электронная зона соответствует гораздо 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», — говорит Берруто.

Необычное поведение может иметь и практические последствия. Поскольку Fe₅GeTe₂ может 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 внедрение эффекта в устройство памяти.

Многие необычные квантовые эффекты сохраняются лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако в данном случае исследователи обнаружили, что когерентное поведение сохраняется вплоть до 100 градусов выше абсолютного нуля.

Это всё ещё намного ниже комнатной температуры, но относительно высоко по сравнению с аналогичными квантовыми материалами, что делает результат особенно перспективным для будущих применений.

«Если мы в конечном итоге захотим использовать это в устройстве памяти, 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 всего в один атомарный слой.

Исследование стало одной из последних научных публикаций с участием Питера Литлвуда, выдающегося физика Чикагского университета, скончавшегося 15 июня.

«Он был великим физиком-теоретиком и лидером исследований квантовых материалов в Чикагском университете, — сказал Ян. — Мы посвящаем эту статью ему».

Среди других авторов работы — Хань Зуй Нгуен, Чаовэй Ху, Пол Малиновски, Хаоран Линь, Бомджун Го, Бо Гю Джан, Сяодун Сюй и Джиун-Хо Чу.

Источники:

Материалы предоставлены Чикагским университетом.