Физики увидели, как спиновая жидкость становится моттовским изолятором

Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор, обусловленное межэлектронным кулоновским отталкиванием. Понимание механизмов перехода и управление им может привести к созданию новых элементов квантовых компьютеров. Статья опубликована в Nature Materials — самом цитируемом журнале, посвящённом материаловедению (импакт-фактор около 40).

Борис Горшунов , заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, комментирует: «В данной работе впервые удалось реализовать ситуацию, позволяющую „в чистом виде“ исследовать моттовский фазовый переход металл-диэлектрик и сопоставить его детали с теоретическими предсказаниями. Благодаря особенностям молекулярной структуры, в исследованных органических металлах магнитное упорядочение среди электронов не возникает при охлаждении до самых низких температур. Так что определяющим их свойства взаимодействием остаётся кулоновское отталкивание. Полученные результаты будут полезны в понимании свойств различных электронно-коррелированных систем, включая высокотемпературные сверхпроводники».


Моттовск ий изолятор, или когда электроны «запираются»

Что такое электрический ток? В школе нас учили, что по проводам, подходящим к вашему ноутбуку или настольной лампе, бегут электроны — элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, примерно равным −1,6×10^−19 Кулон. В реальности процесс токопереноса в проводниках весьма непростой. Электроны, бегущие по проводу, взаимодействуют с атомами кристаллической решетки и друг с другом: все они заряжены отрицательно, а потому должны отталкиваться (закон Кулона). Для большинства материалов кулоновским отталкиванием можно пренебречь, поскольку кулоновская энергия U, которая характеризует интенсивность взаимодействия, много меньше средней кинетической энергии электронов W, называемой ещё шириной зоны проводимости. Однако в некоторых материалах наблюдается обратное соотношение, когда кинетической энергии оказывается недостаточно, чтобы преодолеть отталкивание, и частицы «запираются» внутри кристалла, а материал становится изолятором. Впервые это явление экспериментально обнаружили в 1937 году Ян де Бур (Jan Hendrik de Boer) и Эверт Вервей (Evert Verwey), а первое теоретическое объяснение привели Невилл Мотт (Nevill Mott) и Рудольф Пайерлс (Rudolf Peierls). Сейчас изоляторы с подобным образом «запертыми» электронами называют моттовскими.

Теоретические исследования показывают , что при уменьшении энергии U моттовский изолятор постепенно превращается в проводник (так называемый моттовский переход , Mott metal-insulator transition). Есть мнение , что межзарядовые корреляции типа моттовских должны играть существенную роль в формировании электронных свойств купратов с высокотемпературной сверхпроводимостью . К сожалению, увидеть подобный переход на практике очень сложно: как правило, свойства электронов оказываются в существенной степени подверженными магнитным взаимодействиям, в результате чего происходит переход в магнитно-упорядоченную фазу, что мешает выделить эффект моттовской диэлектризации.

Многие специалисты уверены, что на основе эффекта моттовского перехода могут быть созданы электронные элементы и узлы для быстрых компьютеров. Такие элементы могли бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее. Но пока учёные только начинают исследовать это явление в эксперименте.


Квантовы е спиновые жидкости

Группа физиков под руководством адъюнкт-профессора МФТИ Мартина Дресселя (Martin Dressel) для изучения эффекта решила взять   вместо обычных металлов спиновые жидкости. Спиновая жидкость — магнитное состояние вещества, обусловленное «жидким» поведением частиц со спинами при низких температурах. На сегодня известно лишь несколько материалов с такими свойствами.

У электронов есть особая квантовая степень свободы — спин. Условно, спин может быть направлен «вверх» или «вниз», иметь значение −1/2 и +1/2. Кроме этих двух состояний есть ещё их суперпозиция (наложение), как будто бы спин смотрит в какую-то другую сторону.   При достаточно высоких температурах спины могут быть неупорядочены. При понижении температуры межспиновые взаимодействия обычно приводят к появлению упорядоченного состояния. Но есть материалы, спины в которых не упорядочиваются даже при сверхнизких температурах. Вместо этого они образуют коллективные запутанные состояния. Возникновение такого состояния является квантовым явлением, а само состояние называется спиновой жидкостью. Грубо говоря, спиновая жидкость — это система, в которой намагниченные частицы взаимодействуют друг с другом, однако магнитный порядок не возникает. Отсутствие магнитного порядка в спиновых жидкостях и позволяет выделить эффекты, которые связаны со взаимодействием зарядов, а не спинов электронов, а потому в них проще наблюдать фазовый переход между моттовским изолятором и проводником.


Эксперим ент показал моттовский переход

Для эксперимента учёные выбрали три материала, в которых электроны находятся в состоянии спиновой жидкости. Это довольно сложные органические соединения, сокращённо обозначаемые как EtMe, AgCN и CuCN. Для экспериментов исследователи использовали методики инфракрасной и терагерцовой спектроскопии. В этих методиках на исследуемые образцы направляется пучок электромагнитного излучения и фиксируется, какая часть этого излучения отразилась от исследуемого материала или прошла сквозь его достаточно тонкий слой. При этом частота, как говорят, зондирующего электромагнитного излучения может меняться, как и температура исследуемого образца, который помещается в специальное устройство — криостат.   В таких экспериментах физики изучили зависимость поглощения (называемого ещё оптической проводимостью) электромагнитного излучения в EtMe, AgCN и CuCN от частоты. Диапазон частот при этом варьировался от 100 до 4000 обратных сантиметров (обратный сантиметр — величина, обратная длине волны излучения в сантиметрах). Из полученных зависимостей исследователи извлекали значения кинетической энергии электронов W и кулоновской энергии взаимодействия между ними U.

 

Рисунок 1:  Зависимость проводимости электронных спиновых жидкостей от частоты: EtMe (рисунок a), AgCN (рисунок b) и CuCN (рисунок c). Красная линия отвечает температуре 200 кельвинов, синяя — температуре 5 кельвинов. Во врезах — внутренняя структура соответствующих жидкостей

Полученные в эксперименте точки учёные отложили на фазовой диаграмме, т.е. на плоскости (U/W,T/W) (T — температура материала), и получили линию, которая разделяет фазы изолятора и проводника. Её называют линией Уидома (quantum Widom line). В результате физикам удалось поймать моменты превращения каждой из жидкостей в моттовский изолятор, отслеживая изменение их параметров при понижении температуры. Оказалось, что в рамках экспериментальных погрешностей экспериментально построенная линия Уидома совпадает с теоретическими предсказаниями .

Рисунок 2:  Точки, в которых спиновые жидкости превращаются из проводников в моттовские изоляторы: данные по EtMe отмечены чёрным, данные по AgCN — красным, данные по CuCN — синим. Пунктирными линиями отмечены экспериментальные погрешности. Теоретически рассчитанная линия Уидома разделяет цветную и белую области

Таким образом, физики впервые в чистом виде экспериментально наблюдали моттовский переход. Кроме этого в CuCN вблизи границы между областями было обнаружено состояние с металлическими квантовыми флуктуациями, которое до сих пор не наблюдалось из-за магнитного порядка.

Проведённые исследования помогут в будущем в разработке электронных компонентов с новыми свойствами.



Последние новости Подмосковья по теме:
Физики увидели, как спиновая жидкость становится моттовским изолятором

Физики увидели, как спиновая жидкость становится моттовским изолятором - МФТИ
Физики увидели, как спиновая жидкость становится моттовским изолятором - Долгопрудный
Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор,
13:44 08.08.2018 МФТИ
- Дубна
Физики изучили моттовский переход, принципы которого могут быть перспективны для новых направлений электроники.
03:41 08.08.2018 OpenDubna.Ru
 
По теме
Азы Интернета. Как научиться видеозвонкам? - OpenDubna.Ru Уже несколько лет подряд компания "Ростелеком" совместно с Пенсионным фондом Российской Федерации совершенствует программу для обучения лиц старшего возраста компьютерной грамотности.
21.10.2018
Учащиеся школы в Пушкино поздравили старшее поколение с Днем пожилого человека - Газета Маяк © Николай Ильницкий, Пушкинское информагентство 20 октября, школьники 7 «Г» Пушкинской школы № 9 устроили праздник для своих бабушек и дедушек в рамках проекта «От поколения к поколению»,
20.10.2018
 
В осетинском вузе открыли инфоцентр ОИЯИ - OpenDubna.Ru 12 октября в Северо-Осетинском государственном университете им. К.Л. Хетагурова (СОГУ) в целях международного обмена научным опытом был торжественно открыт Информационный центр Объединенного института ядерных исследований.
20.10.2018
 
Более 100 родителей продегустировали еду, которой питаются их дети в столовой средней школы № 12 - Газета Время Сегодня, 19 октября, в средней школе № 12 микрорайона Чкаловский в рамках ежегодных публичных слушаний по итогам работы школы за 2017–2018 год прошла акция, где родителям предлагалось попробовать еду,
19.10.2018
 
 150 парней стали немного ближе к армии. - Газета Вперёд Сегодня, 19 октября, в воинской части близ деревни Шарапово прошёл «День призывника», который посетили 150 учащихся колледжей и выпускных классов хотьковской, краснозаводской, шеметовской и сергиевопосадских школ.
19.10.2018
Шесть центров молодежного инновационного творчества откроют в Подмосковье до конца ноября - Правительство Московской области Источник: Министерство инвестиций и инноваций Московской области В Подмосковье завершаются ремонтные работы и оснащение новых центров молодежного инновационного творчества (ЦМИТов) в городских округах Люберцы, Химки, Красногорск,
19.10.2018 Правительство Московской области
Более 100 родителей продегустировали еду, которой питаются их дети в столовой средней школы № 12 - Газета Время Сегодня, 19 октября, в средней школе № 12 микрорайона Чкаловский в рамках ежегодных публичных слушаний по итогам работы школы за 2017–2018 год прошла акция, где родителям предлагалось попробовать еду,
19.10.2018 Газета Время
© Николай Ильницкий, Пушкинское информагентство 20 октября, школьники 7 «Г» Пушкинской школы № 9 устроили праздник для своих бабушек и дедушек в рамках проекта «От поколения к поколению»,
20.10.2018 Газета Маяк
В Дмитровском техникуме прошла встреча студентов из числа детей-сирот и детей, оставшихся без попечения родителей, с представителями органов власти.
19.10.2018 Дмитровский вестник
Мотоциклист сбил пешехода и другие ДТП - Копейка За период, с 12 по 19 октября текущего года сотрудниками отдела ГИБДД УМВД России по Сергиево-Посадскому району зарегистрировано 55 ДТП с материальным ущербом, а также одно происшествие, в котором пострадал человек.
20.10.2018 Копейка
Мишонова: Найдёныша из Щёлкова отправят в ресурсную семью - РТВ-Подмосковье Сейчас полиция выясняет её реальное местонахождение © «РИА Новости» ,   Михаил Воскресенский Следователи выяснили личность полуторогодовалого мальчика, найденного в подъезде в Щёлкове, и его матери, женщину разыскивают,
20.10.2018 РТВ-Подмосковье
Труп неизвестного мужчины без внешних признаков насильственной смерти обнаружили в лесу в подмосковном Пушкино, сообщил РИАМО в субботу представитель пресс-службы ГУ МВД РФ по Московской области.
20.10.2018 Газета Маяк
«Во что вы верите?» спросил люберчанин главного героя фильма «Вечная жизнь Александра Христофорова» - Люберецкая панорама ЛЮБЕРЦЫ. 20 октября. INLUBERTSY.RU. Состоялась пресс-конференция с продюсером, главным героем фильма «Вечная жизнь Александра Христофорова», на которой люберчанин задал интересный вопрос: «Во что вы верите?»,
20.10.2018 Люберецкая панорама
Литературно-музыкальный конкурс «Россия – любовь моя» впервые провели в Пушкино - Газета Маяк © Анна Корнилова, Пушкинское информагентство В детской музыкальной школе № 1 города Пушкино прошел заключительный этап первого литературно-музыкального конкурса «Россия – любовь моя»,
21.10.2018 Газета Маяк
Интересная и насыщенная программа «Покров-Батюшка» ждала весь праздничный день гостей и жителей деревни, которых с самого утра гостеприимно встречали в местном Доме культуры.
19.10.2018 Куйбышевец
Футболисты «Знамя труда» провела зрелищную игру с командой «Велес» уступив сопернику 1 очко - Орехово-Зуевская правда В субботу, 20 октября, на стадионе «Торпедо» в Орехово-Зуеве состоялся футбольный матч между командами «Знамя труда» и «Велес», показав зрелищную игру, наши земляки все же уступили сопернику одно очко,
20.10.2018 Орехово-Зуевская правда
1 - ФК Химки Сегодня вечером в матче 17-го тура Олимп-ФНЛ красно-черные на своем поле принимали «Тюмень».
20.10.2018 ФК Химки
Пятнадцатый мемориальный турнир по боксу памяти мастера спорта СССР Виктора Григорьева открылся в зале единоборств им В. И. Портненко в спорткомплексе «Луч» в Сергиевом Посаде.
20.10.2018 Газета Вперёд
Подтвердите льготу на "Стрелку" - Газета Вперёд Во избежание блокировки карт «Стрелка» учащегося и учащегося сельской местности необходимо до 20 октября подтвердить право на пользование картой,
20.10.2018 Газета Вперёд
Законопроект «Единой России» об отказе от пенсионных преференций для депутатов и сенаторов принят в первом чтении - Химские новости Государственная Дума приняла в первом чтении законопроект, согласно которому депутаты и сенаторы имеют право отказаться от пенсионных надбавок при выходе на пенсию.
19.10.2018 Химские новости
ЛЮБЕРЦЫ. 20 октября. INLUBERTSY.RU. Начиная с июня этого года выполнена работа по «оцифровке», занесению в единую базу данных и ликвидации 36 тысяч ям во дворах на территории населенных пунктов региона,
20.10.2018 Люберецкая панорама
ГИБДД с понедельника зафиксировало 55 серьёзных ДТП.  К сожалению, не обошлось без пострадавших.
19.10.2018 Газета Вперёд