Исследователи, работающие на синхротроне BESSY II, впервые экспериментально подтвердили, что материал может обладать истинно одномерными электронными свойствами. Команда изучила короткие цепочки атомов фосфора, которые естественным образом выстраиваются под определенными углами на поверхности серебра. Применив передовые методы измерений и анализа, ученые смогли разделить сигналы, исходящие от цепей, ориентированных в разных направлениях. Эта кропотливая работа показала, что каждая отдельная цепь ведет себя как подлинная одномерная электронная система.
Все материалы построены из атомов, которые соединяются в различные структуры. В большинстве твердых тел атомы связаны как в одной плоскости, так и по вертикали. Некоторые элементы, например углерод, способны образовывать графен – двумерную (2D) гексагональную сетку, где связи существуют только в пределах одного слоя. Фосфор также способен формировать стабильные 2D-структуры. Двумерные материалы вызывают огромный интерес благодаря своим необычным электронным и оптическим свойствам, и теоретические исследования предполагали, что дальнейшее уменьшение размерности до одномерных структур может привести к еще более удивительным электрооптическим эффектам.
В строго контролируемых условиях атомы фосфора могут самоорганизовываться в короткие прямые линии на серебряной подложке. Структурно эти линии выглядят одномерными, однако соседние цепи могут взаимодействовать друг с другом, что потенциально нарушает истинно одномерное поведение. До сих пор исследователям не удавалось однозначно измерить, ограничены ли сами электроны одним измерением. «Благодаря тщательному анализу измерений на BESSY II мы доказали, что такие фосфорные цепи действительно обладают одномерной электронной структурой», – говорит профессор Оливер Радер, руководитель отдела спиновой и топологической физики в квантовых материалах в HZB.
Сначала доктор Андрей Варыхалов и его коллеги создали и исследовали фосфорные цепи с помощью криогенного сканирующего туннельного микроскопа. Изображения показали, что короткие цепи фосфора формируются на поверхности серебра в трех различных направлениях, разделенных углами в 120 градусов. Затем команда нанесла на карту электронную структуру с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) – метода, в котором они обладают большим опытом. «Мы получили результаты очень высокого качества, что позволило нам наблюдать стоячие волны электронов, формирующиеся между цепями», – отмечает Варыхалов.
Ключевую роль в интерпретации данных сыграли доктор Максим Кривенков и доктор Марьям Саджеди. Тщательно разделив вклады от трех по-разному ориентированных доменов цепей, они смогли выделить электронную сигнатуру каждой из них. «Мы смогли распутать сигналы ARPES от этих доменов и таким образом продемонстрировать, что эти 1D-цепочки фосфора на самом деле обладают очень отчетливой 1D-электронной структурой», – поясняет Кривенков.
Результаты также указывают на резкое изменение поведения в зависимости от плотности расположения цепей. Когда они находятся далеко друг от друга, материал ведет себя как полупроводник. Однако расчеты предсказывают, что при плотной упаковке он станет металлом. Усиление взаимодействия между соседними цепями при увеличении их плотности, как ожидается, вызовет фазовый переход из полупроводникового состояния в металлическое.
«Здесь мы вступили в новую область исследований – на неизведанную территорию, где, вероятно, будет сделано много захватывающих открытий», – заключает Варыхалов.
