Физики из Массачусетского технологического института выяснили, что в одном и том же квантовом материале могут сосуществовать две формы электронной организации, которые возникают по совершенно разным сценариям. Одна из них формируется постепенно и равномерно по всему объёму, а вторая зарождается в отдельных точках и разрастается из них, подобно кристаллам льда в воде. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Учёные исследовали трителлурид эрбия – редкоземельный материал, который при охлаждении демонстрирует необычное поведение электронов. В обычных условиях они распределены в нём хаотично, но при температуре минус 8 °C самоорганизуются в упорядоченную структуру, известную как волна зарядовой плотности (ВЗП). Если охладить материал до минус 113 °C, в нём возникает вторая ВЗП, направленная перпендикулярно первой. Вместе они образуют структуру, напоминающую на атомном уровне шахматную доску.
Чтобы понять, как именно формируется каждая из этих фаз, исследователи применили метод сверхбыстрой лазерной спектроскопии. Они охладили тонкий образец материала до минус 230 °C, дождались образования обеих ВЗП, а затем разрушили эту структуру мощным лазерным импульсом. После этого вторым, более слабым, импульсом они с определёнными интервалами «прощупывали» материал, чтобы зафиксировать, как восстанавливается электронный порядок.
Эксперимент показал, что две фазы ведут себя по-разному. «Доминантная» волна, возникающая при более высокой температуре, восстанавливалась плавно и однородно по всему образцу – это соответствует классическому фазовому переходу второго рода. Вторая, «субдоминантная», волна вела себя иначе: она возникала в виде разрозненных очагов, которые затем росли и сливались друг с другом. Такой механизм, характерный для фазовых переходов первого рода, ранее был предметом споров среди теоретиков.
Понимание того, как разные электронные фазы возникают и взаимодействуют друг с другом, может помочь в изучении более сложных систем, например, высокотемпературных сверхпроводников. В таких материалах одновременно сосуществуют сверхпроводимость, магнетизм и волны зарядовой плотности. Считается, что именно их взаимодействие определяет уникальные свойства этих материалов, и результаты нового исследования могут стать ключом к управлению ими.
