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.
Гистограмма, иллюстрирующая "петлевые токи", (выделенные голубым цветом), протекающие внутри материала, похожего на соты, в то время как электроны, (выделенные зеленым цветом), проходят сквозь него. Oak Ridge National Laboratory
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".
"Почти как лед, тающий в воде".
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.
Хаотичные электроны
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.
Аннотация к исследованию: Колоссальное магнитосопротивление (CMR) — это экстраординарное усиление электропроводности в присутствии магнитного поля. Обычно его связывают с индуцированной полем спиновой поляризацией, которая резко уменьшает спиновое рассеяние и электрическое сопротивление. Ферримагнитный сплав Mn3Si2Te6 является интересным исключением из этого правила: он демонстрирует снижение удельного сопротивления на семь порядков величины, которое происходит только при отсутствии магнитной поляризации. Этот материал имеет экзотическое квантовое состояние, которое управляется токами хиральных орбиталей (COC), протекающими вдоль граней октаэдров MnTe6. Орбитальные моменты COC соединяются с ферримагнитными спинами Mn и резко увеличивают проводимость (CMR) Следовательно, управляемый COC CMR очень чувствителен к небольшим постоянным токам, превышающим критический порог, и может вызывать зависящее от времени, бистабильное переключение, имитирующее "переход плавления" первого порядка, который является отличительной чертой состояния COC. Продемонстрированный контроль тока в КМО с поддержкой COC предлагает 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)
