Фізики побачили, як спинова рідина стає моттовським ізолятором.
Міжнародна група дослідників, до складу якої входять вчені з лабораторії терагерцевої спектроскопії МФТІ, безпосередньо експериментально спостерігала моттовський перехід - перетворення провідника в ізолятор, обумовлене міжелектронним кулонівським відштовхуванням. Розуміння механізмів переходу та управління ним може призвести до створення нових елементів квантових комп'ютерів.
Стаття опублікована в журналі Nature Materials.
Борис Петрович Горшунов, завідувач лабораторії терагерцевої спектроскопії МФТІ, коментує:
"У даній роботі вперше вдалося реалізувати ситуацію, що дозволяє" в чистому вигляді "дослідити моттовський фазовий перехід метал-діелектрик і зіставити його деталі з теоретичними передбаченнями. Завдяки особливостям молекулярної структури, в досліджених органічних металах магнітне впорядкування серед електронів не виникає при охолодженні до найнижчих температур. Так що визначальною їх властивості взаємодією залишається кулонівське відштовхування. Отримані результати будуть корисні в розумінні властивостей різних електронно-корельованих систем, включаючи високотемпеолог ні надпровідники ".
Моттовський ізолятор, або коли електрони «замикаються»
Що таке електричний струм? У школі нас вчили, що по дротах, що підходять до вашого ноутбука або настільної лампи, біжать електрони - елементарні частинки з негативним електричним зарядом, приблизно рівним ‑ 1,6 мм. 10 ‑ 19 Кл.
В реальності процес токопереноса в провідниках досить непростий. Електрони, що біжать по дроту, взаємодіють з атомами кристалічної решітки і один з одним: всі вони заряджені негативно, а тому повинні відштовхуватися (закон Кулона).
Для більшості матеріалів кулонівським відштовхуванням можна знехтувати, оскільки кулонівська енергія U, яка характеризує інтенсивність взаємодії, багато менше середньої кінетичної енергії електронів W, званої ще шириною зони провідності.
Однак у деяких матеріалах спостерігається зворотне співвідношення, коли кінетичної енергії виявляється недостатньо, щоб подолати відштовхування, і частинки «замикаються» всередині кристала, а матеріал стає ізолятором. Вперше це явище експериментально виявили в 1937 році Ян де Бур (Jan Hendrik de Boer) і Еверт Вервей (Evert Verwey), а перше теоретичне пояснення привели Невілл Мотт (Nevill Mott) і Рудольф Паєрлс (Rudolf Peierls). Зараз ізолятори з таким чином «замкненими» електронами називають моттовськими.
Теоретичні дослідження показують, що при зменшенні енергії U моттовський ізолятор поступово перетворюється на провідник (так званий моттовський перехід, Mott metal-insulator transition). Є думка, що міжзарядові кореляції типу моттовських повинні відігравати істотну роль у формуванні електронних властивостей купратів з високотемпáною надпровідністю. На жаль, побачити подібний перехід на практиці дуже складно: як правило, властивості електронів виявляються істотною мірою схильними до магнітних взаємодій, в результаті чого відбувається перехід в магнітно-впорядковану фазу, що заважає виділити ефект моттівської діелектризації.
Багато фахівців впевнені, що на основі ефекту моттівського переходу можуть бути створені електронні елементи та вузли для швидких комп'ютерів. Такі елементи могли б замінити звичайні транзистори і при цьому опинитися швидше і компактніше. Але поки вчені тільки починають досліджувати це явище в експерименті.
Квантові спинові рідини
Група фізиків під керівництвом ад'юнкт-професора МФТІ Мартіна Дресселя (Martin Dressel) для вивчення ефекту вирішила взяти замість звичайних металів спинові рідини. Спинова рідина - магнітний стан речовини, обумовлений «рідкою» поведінкою частинок зі спинами при низьких температурах. На сьогодні відомо лише кілька матеріалів з такими властивостями (один з них - гербертсмитит).
У електронів є особливий квантовий ступінь свободи - спін. Умовно, спин може бути спрямований «вгору» або «вниз», мати значення - 1/2 і + 1/2. Крім цих двох станів є ще їх суперпозиція (накладення), начебто спин дивиться в якусь іншу сторону. При досить високих температурах спини можуть бути неупорядковані. При зниженні температури міжспинові взаємодії зазвичай призводять до появи впорядкованого стану. Але є матеріали, спини в яких не впорядковуються навіть при наднизьких температурах. Замість цього вони утворюють колективні заплутані стани. Виникнення такого стану є квантовим явищем, а сам стан називається спиновою рідиною.
Грубо кажучи, спинова рідина - це система, в якій намагничені частинки взаємодіють один з одним, проте магнітний порядок не виникає. Відсутність магнітного порядку в спинових рідинах і дозволяє виділити ефекти, які пов'язані із взаємодією зарядів, а не спинів електронів, а тому в них простіше спостерігати фазовий перехід між моттовським ізолятором і провідником.
Експеримент показав моттовський перехід
Для експерименту вчені вибрали три матеріали, в яких електрони знаходяться в стані спинової рідини. Це досить складні органічні сполуки, скорочено позначені як EtMe, AgCN і CuCN.
Для експериментів дослідники використовували методики інфрачервоної і терагерцевої спектроскопії. У цих методиках на досліджувані зразки направляється пучок електромагнітного випромінювання і фіксується, яка частина цього випромінювання відбилася від досліджуваного матеріалу або пройшла крізь його досить тонкий шар.
При цьому частота, як кажуть, зондуючого електромагнітного випромінювання може змінюватися, як і температура досліджуваного зразка, який поміщається в спеціальний пристрій - кріостат.
У таких експериментах фізики вивчили залежність поглинання (званого ще оптичною провідністю) електромагнітного випромінювання в EtMe, AgCN і CuCN від частоти. Діапазон частот при цьому варіювався від 100 до 4000 зворотних сантиметрів (зворотний сантиметр - величина, зворотна довжині хвилі випромінювання в сантиметрах).
З отриманих залежностей дослідники витягували значення кінетичної енергії електронів W і кулонівської енергії взаємодії між ними U.Рисунок 1. Залежність провідності електронних спинових рідин від частоти: EtMe (малюнок a), AgCN (малюнок b) і CuCN (малюнок c). Червона лінія відповідає температурі 200 кельвінів, синя - температурі 5 кельвінів. У врізах - внутрішня структура відповідних рідин.
Отримані в експерименті точки вчені відклали на фазовій діаграмі, тобто на площині (U/W, T/W) (T - температура матеріалу), і отримали лінію, яка розділяє фази ізолятора і провідника. Її називають лінією Відома (quantum Widom line). У результаті фізикам вдалося зловити моменти перетворення кожної з рідин на моттовський ізолятор, відстежуючи зміну їх параметрів при зниженні температури. Виявилося, що в рамках експериментальних похибок експериментально побудована лінія Відома збігається з теоретичними передбаченнями. Малюнок 2. Точки, в яких спинові рідини перетворюються з провідників на моттовські ізолятори: дані по EtMe позначені чорним, дані по AgCN - червоним, дані по CuCN - синім. Пунктирними лініями відзначені експериментальні похибки. Теоретично розрахована лінія Відома розділяє кольорову і білу області.
Таким чином, фізики вперше в чистому вигляді експериментально спостерігали моттовський перехід. Крім цього в CuCN поблизу кордону між областями було виявлено стан з металевими квантовими флуктуаціями, який досі не спостерігався через магнітний порядок.
Проведені дослідження допоможуть у майбутньому в розробці електронних компонентів з новими властивостями.
