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.