|
Скрытые явления в сверхчистых квантовых материалах
|
|
|
|
В статье, опубликованной сегодня в Nature Communications, исследователи представили ранее не наблюдавшиеся явления в сверхчистом образце коррелированного металла SrVO3. Исследование предлагает экспериментальные данные, которые бросают вызов существующим теоретическим моделям этих необычных металлов. Международная исследовательская группа из Института твердотельной электроники имени Пола Друде (PDI), Германия; Национальной лаборатории Ок—Риджа (ORNL); Университета штата Пенсильвания; Питтсбургского университета; Питтсбургского квантового института; и Университета Миннесоты — считает, что их результаты приведут к переоценке современных теорий об электроне. корреляционные эффекты, проливающие свет на происхождение ценных явлений в этих системах, включая магнитные свойства, высокотемпературную сверхпроводимость и уникальные характеристики весьма необычных прозрачных металлов.
|
|
|
|
Материал из оксида перовскита SrVO3 классифицируется как ферми—жидкость - состояние, описывающее систему взаимодействующих электронов в металле при достаточно низких температурах. В обычных металлах электроны, проводящие электричество, движутся независимо друг от друга, и их обычно называют ферми-газом. В отличие от этого, ферми-жидкости характеризуются значительными взаимными взаимодействиями между электронами, то есть движение одного электрона сильно влияет на другие. Такое коллективное поведение может привести к созданию уникальных электронных свойств, которые найдут широкое технологическое применение и позволят лучше понять взаимодействие между электронами в коррелированных металлах. SrVO3 служит идеальной модельной системой для изучения явлений электронной корреляции благодаря своей кристаллической и электронной простоте. Эта простота имеет решающее значение для понимания сложных явлений, таких как магнитный порядок или сверхпроводимость, которые могут усложнить теоретические и экспериментальные исследования.
|
|
|
Еще одним важным фактором в понимании экспериментальных результатов, на основе которых строятся теоретические модели эффектов электронной корреляции, является наличие или отсутствие дефектов в самом материале. Доктор Роман Энгель-Герберт, руководитель исследования и директор PDI в Берлине, сказал: "Если вы хотите разобраться в одном из наиболее хорошо сохранившихся секреты физики конденсированных сред, то вы должны изучать их в чистом виде, без каких-либо внешних помех. Необходимы высококачественные материалы, которые практически не содержат дефектов. Вам необходимо синтезировать сверхчистые материалы." До сих пор получение бездефектного образца SrVO3 казалось непреодолимой задачей. Используя инновационный метод выращивания тонких пленок, сочетающий преимущества молекулярно-лучевой эпитаксии и химического осаждения из газовой фазы, команда достигла беспрецедентного уровня чистоты материала.
|
|
|
|
Доктор Мэтт Бралек, первый автор исследования, количественно оценивает улучшение: "Простым показателем чистоты материала является соотношение того, насколько легко протекает электричество при комнатной температуре по сравнению с низкой температурой, называемое коэффициентом остаточного удельного сопротивления (RRR). Если металл содержит много дефектов, значения RRR низкие, обычно около 2-5. "Мы смогли синтезировать пленки SrVO3 с RRR почти в 100 раз больше, чем в 200, что открывает возможности для изучения истинных свойств коррелированного металла SrVO3. В частности, высокое качество материалов позволило впервые получить доступ к специальному режиму работы при высоких магнитных полях, где были обнаружены сюрпризы". Междисциплинарная команда ученых была удивлена, обнаружив ряд необычных явлений переноса, которые резко отличались от свойств переноса, измеренных ранее на образцах с высокой степенью дефектности. Их результаты бросают вызов устоявшемуся научному мнению о том, что SrVO3 является простой ферми-жидкостью.
|
|
|
|
Энгель-Херберт объясняет: "Эта ситуация была очень интересной, но в то же время вызывала недоумение. Хотя мы воспроизвели ранее описанные характеристики переноса SrVO3 в наших образцах с высокой степенью дефектности, идентичные измерения в сверхчистых образцах с высокими значениями RRR отличались". Результаты анализа дефектных образцов позволили получить однозначную интерпретацию результатов, которая соответствовала теоретическим ожиданиям. Эти результаты были использованы в качестве экспериментального доказательства того, что теоретическое понимание правильно отражает эффекты электронной корреляции в SrVO3. Однако команда обнаружила, что измерения на сверхчистых образцах не могут быть объяснены так просто. Бралек добавил: "Важным наблюдением является предположение о том, что количество электронов, переносящих электричество в металле, не зависит от температуры и магнитного поля. Это, конечно, верно, но интерпретация измеренной величины не является прямым показателем концентрации переносчиков. "Скорее, это количество связано с другими аспектами свойств материала, такими как влияние дефектов и температуры на поток электричества. Нам пришлось углубиться в физику, чтобы понять то, что мы увидели. Именно это делает исследование таким важным и захватывающим".
|
|
|
|
Исследователи полагают, что их открытие может послужить основой для уточнения теоретических моделей и подтолкнуть к пересмотру устоявшихся взглядов и интерпретаций материалов, демонстрирующих значительную электронную корреляцию. Энгель-Герберт говорит: "Наша задача как физиков-экспериментаторов - выйти за рамки современного понимания природы. Именно здесь можно совершать открытия, здесь мы продвигаем науку вперед. Для нас, физиков, изучающих конденсированные среды, важно продолжать совершенствовать объект нашего исследования, бросая себе вызов расширять границы совершенствования материалов. "Это потенциально может дать новое представление об истинном поведении этого класса материалов и позволит всесторонне объяснить измеряемые и наблюдаемые явления. Для этого требуется междисциплинарная команда экспертов. "Хотя работа еще не завершена, наши результаты дают возможность сообществу пересмотреть свои теории, пересмотреть материалы, которые, по нашему мнению, были хорошо поняты, и переоценить их потенциал для применения".
|
|
|
|
Источник
|
