Международная группа исследователей совершила открытие, которое заставляет переосмыслить фундаментальные свойства материалов. Физик Лу Ли, специализирующийся на передовых материалах, часто сталкивается с тем, что его работа выявляет необычные феномены, чья ценность заключается в демонстрации того, насколько причудливой может быть Вселенная.
Совместно с международной командой учёных Ли сделал одно из таких открытий, о котором недавно сообщалось в журнале Physical Review Letters. Учёный признаёт, что непосредственные практические применения пока неясны, однако подчёркивает необычайную увлекательность выявленного феномена.
В основе исследования, поддержанного Национальным научным фондом США и Министерством энергетики США, лежит загадочный феномен – квантовые осцилляции. В металлах эти колебания возникают, когда электроны реагируют на магнитные поля, подобно крошечным пружинкам, меняя скорость своего движения при изменении силы поля.
Однако в последние годы исследователи стали фиксировать эти же квантовые осцилляции в изоляторах – материалах, которые, по своей природе, не проводят электричество и тепло. Это наблюдение породило дискуссию среди учёных: являются ли эти эффекты исключительно поверхностными, или они возникают в глубине самого материала – его объёме.
Поверхностные эффекты представляли бы особый интерес для технологических разработок. Например, топологические изоляторы, проводящие ток по поверхности при сохранении изоляционных свойств внутри, уже рассматриваются как основа для электронных, оптических и квантовых устройств нового поколения.
Для разрешения этой загадки Ли с коллегами провели серию экспериментов в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, используя одни из мощнейших магнитов в мире. Результаты однозначно показали, что осцилляции не ограничивались поверхностью, а возникали в объёме материала.
«Я бы хотел знать, что с этим делать, но на данный момент мы понятия не имеем, – признаётся Ли. – Сейчас у нас есть экспериментальное доказательство удивительного феномена, мы его зафиксировали и, надеюсь, когда-нибудь поймём, как его использовать».
В международную команду вошли более десятка учёных из шести учреждений США и Японии, среди которых научный сотрудник Куан-Вэнь Чен и аспиранты Юань Чжу, Госинь Чжэн, Дечен Чжан, Аарон Чен и Кайла Дженкинс из University of Michigan. По словам Чена, много лет учёные пытались выяснить, является ли происхождение носителей заряда в экзотических изоляторах объёмным или поверхностным, внутренним или внешним. «Мы рады предоставить чёткие доказательства, что это объёмное и внутреннее явление», – заявил он.
Ли называет это открытие частью «новой двойственности» в физике. Аналогично «старой» двойственности, открытой столетие назад, когда свет и материя одновременно проявляли свойства волн и частиц, что привело к прорывам вроде солнечных батарей и электронных микроскопов, теперь речь идёт о двойственном поведении материалов.
Эта новая двойственность, объясняет Ли, относится к материалам, способным проявлять свойства как проводников, так и изоляторов. Его команда исследовала это на примере соединения, известного как борид иттербия (YbB12), помещённого в магнитное поле интенсивностью до 35 Тесла – это примерно в 35 раз мощнее, чем магнит аппарата МРТ. Как поясняет Ли: «По сути, мы демонстрируем, что наивная концепция, где мы предполагали, что только поверхность пригодна для электронной проводимости, совершенно ошибочна. При таких условиях всё соединение ведёт себя как металл, несмотря на то что оно является изолятором».
Хотя подобное «металлоподобное» поведение проявляется лишь в экстремальных магнитных условиях, это открытие ставит новые фундаментальные вопросы о поведении материалов на квантовом уровне. «Подтверждение того, что осцилляции являются объёмными и внутренними – это захватывающе, – отмечает Юань Чжу. – Мы пока не знаем, какие именно нейтральные частицы ответственны за это явление. Надеемся, наши выводы послужат стимулом для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований».
Проект также получил поддержку от Института сложноадаптивной материи, Фонда Гордона и Бетти Мур, Japan Society for the Promotion of Science и Japan Science and Technology Agency.
