Недавно ученые из University of Colorado Boulder обнаружили в одном из видов квантовых материалов ранее невиданное явление, которое можно объяснить последовательностью жужжащих, похожих на пчелиные, "петлевых токов".
Исследование, опубликованное 12 октября в журнале Nature, позволит специалистам разработать новые виды устройств, например, квантовые сенсоры или квантовые аналоги запоминающих устройств.
Химическая формула нового квантового материала — Mn3Si2Te6. Это довольно удивительное соединение. Ученые называют его "сотами", поскольку что атомы марганца и теллура образуют сеть сцепленных между собой октаэдров, напоминающих пчелиные ячейки.
"Это одновременно удивило и обескуражило", — рассказывает Ганг Цао, проф. University of Colorado Boulder и руководитель проекта, стартовавшего в 2020 году. "Наши следующие шаги, направленные на более глубокое изучение этого материала, привели нас к еще более удивительному открытию".
В большинстве случаев вещество действовало подобно изолятору. Другими словами, оно затрудняло протекание электрического тока через соты, когда они подвергались магнитному воздействию.
Авторы проекта утверждают, что при определенных обстоятельствах в сотах наблюдаются малые токи, так называемые токи хиральных орбиталей, или петлевые токи, как показали исследования, проведенные в лаборатории Цао. То есть внутри каждого из октаэдров этого квантового вещества электроны закручиваются в петли.
В 1990-х годах было выдвинуто предположение, что во многих известных материалах, включая высокотемпературные сверхпроводники, могут присутствовать петлевые токи, однако физически их не удалось обнаружить. "Мы открыли новое квантовое состояние материи", - сказал Цао. "Его квантовый переход напоминает таяние льда в воде".
Однако соты, о которых мы говорим, значительно отличаются от этих материалов - КМС (Колоссальное магнетосопротивление) происходит только тогда, когда условия позволяют избежать магнитной поляризации того же типа. Сдвиг в электрических свойствах также гораздо более экстремален, чем в любом другом известном материале с КМО, добавил Цао. "Чтобы добиться такого изменения, необходимо нарушить все привычные условия", — сказал Цао.
Цао и его команда, включая аспирантов CU Boulder Ю Чжана, Ифэй Ни и Хэнди Чжао, попытались разобраться в природе этого явления.
Вместе с соавтором Итамаром Кимчи из Технологического института Джорджии они предложили концепцию петлевых токов. Гипотеза команды гласит, что многочисленные электроны постоянно перемещаются внутри сот, отслеживая границы каждого октаэдра.
"Эти петлевые токи в отсутствие магнитного поля обычно остаются хаотичными или текут как по часовой, так и против часовой стрелки. Это напоминает автомобили, движущиеся одновременно по двум полосам кругового движения. Такой беспорядок может вызвать хаос электронов, движущихся в материале", - сказал Цао,— "увеличивая сопротивление и превращая соты в изолятор" .
"Внутренние петлевые токи, циркулирующие по краям октаэдров, чрезвычайно восприимчивы к внешним токам", — сказал Цао. "Если внешний электрический ток превышает критический порог, он искажает и в конечном итоге "плавит" петлевые токи, что приводит к другому электронному состоянию". По утверждению Цао, результаты этого исследования открывают новую парадигму для квантовых технологий.
Источники: Journal Nature, University of Colorado Boulder, Oak Ridge National Laboratory, Journal Interesting Engineering
1. (https://www.nature.com/articles/s41586-022-05262-3)
2. (https://interestingengineering.com/science/honeycomb-like-material-quantum-products)
3. (https://www.colorado.edu/today/2022/10/12/physicists-probe-astonishing-morphing-properties-honeycomb-material)