Они не двигаются: физики открыли форму кристалла со странным поведением электронов

Фото: ScienceAlert

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, занимались поисками новых материалов, которые могут содержать необычные новые агрегатные состояния вещества. Во время исследования они провели эксперимент, который заставил свободно перемещающиеся электроны оставаться на месте. Хотя подобное явление ранее наблюдали в материалах, где электроны ограничены двухмерным пространством, ученые впервые его наблюдали в трехмерной кристаллической решетке металла пирохлор, пишет ScienceAlert.

По словам авторов исследования, они занимаются поиском материалов, которые могут иметь неизвестные экзотические свойства или новые агрегатные состояния вещества. Поэтому они проводят разные эксперименты.

Если свет можно представить в виде и волны и частицы, то тоже самое касается и составляющих атомы частиц. Например, электронов. Поведение электронов в виде волны имеет важное значение для понимания того, как эти частицы координируют свою активность в определенных условиях. Волны охлажденных электронов могут объединять силы друг с другом во время запутывания, что позволяет им проходить сквозь твердые тела, и таким образом создаются материалы сверхпроводники.

Но поведением электронов можно управлять иным способом. Расположение элементов в правильных соотношениях приводит к созданию уникальных перекрестков, что превращает хаотичное движение в плавное ползание, которое называется геометрической фрустрацией.

Пирохлоры являются сложными минералами с шаблонной структурой, а потому их часто используют ученые для экспериментов. Во время одного из них физики создали пирохлор из смеси меди, ванадия и серы, в результате чего получился геометрически фрустрированный металл, который мог направлять волны электронов в узкие места.

По словам ученых, такой эффект квантового вмешательства похож на волны, которые скользят по поверхности озера, а затем сталкиваются друг с другом. Это столкновение приводит к созданию стоячей волны, которая не движется. В случае с геометрически фрустрированными решетчатыми материалами разрушительное влияние оказывают волновые функции электронов.

Ученые измерили энергию и импульс электронов в трехмерной решетке, и выяснили, что одно не зависит от другого, как это обычно бывает. В этом необычном пространстве, известном как плоская зона, взаимодействия между свободно перемещающимися электронами регулируются другими правилами. Авторы исследования считают, что эти правила теоретически могут предоставить физикам новое понимание таких электромагнитных явлений, как сверхпроводимость.

Ученые считают, что появление плоской зоны из-за сталкивающихся волн, которые проходят через трехмерную решетку, является доказательством концепции, которая может привести к созданию совершенно нового класса материалов.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform