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
Школа абитуриента при Московской духовной академии - Духовная академия При Московской Духовной Академии работает Школа абитуриента – воскресные подготовительные курсы для школьников 10-11 классов и всех желающих поступать в Московскую духовную семинарию жителей Сергиева Посада и ближайших н
19.08.2018
Выбираем колледж: взгляд изнутри - OpenDubna.Ru Многие подростки и их родители на пороге девятого класса задумываются о дальнейшей траектории образования: оставаться в 10-11 классе в своей школе, переходить в другую или же поступить в колледж?
19.08.2018
 
Бабье лето ожидается в Московском регионе в конце сентября - Дмитровский вестник В Москве и Подмосковье бабье лето может наступить в конце сентября или в октябре, сообщил РИАМО в пятницу заведующий лабораторией климатологии Института географии Российской академии наук (РАН) Владимир Семенов.
18.08.2018
Губернатор открыл мотокросс в Наро-Фоминске - Правительство Московской области Источник: Пресс-служба Губернатора Московской области Восемнадцатого августа губернатор Подмосковья Андрей Воробьев посетил с рабочим визитом Наро-Фоминский городской округ,
18.08.2018
IT‑школу на 880 мест открывают в Апрелевке - РТВ-Подмосковье © Пресс-служба губернатора и правительства МО Новое здание школы №3 в Апрелевке откроется 1 сентября, школа оснащена самым современным оборудованием.
18.08.2018
 
Детский сад в Люберцах - Правительство Московской области По пожеланиям жителей в городе Апрелевка Наро-Фоминского городского округа планируют построить новое детское дошкольное учреждение в течение двух лет, передает РИАМО.
18.08.2018
Школьный класс - Правительство Московской области Источник: Главное управление государственного строительного надзора Московской области Новое здание Апрелевской общеобразовательной школы №3 на 880 мест в Наро-Фоминском городском округе готово принять учеников 1 сентября,
18.08.2018
 
Центр ТРиГО приглашает на бесплатное обучение - Истринские ВСети Открыт набор детей от 5 до 18 лет в Истринский Центр творческого развития и гуманитарного образования Бесплатное обучение будет проводиться по следующим образовательным программам: «Тропинка к своему Я» — 5−6 лет;
18.08.2018
Советник по науке и технологии Посольства Французской Республики Абдо Малак, Посол Республики Чили Родриго Хосе Ньето Матурана, вице-директор ОИЯИ Владимир Кекелидзе и NICA (фото Игоря Лапенко) - OpenDubna.Ru В один день с послом Чили в РФ, 8 августа, в Объединенном институте ядерных исследований побывал Абдо Малак, советник по науке и технологиям Посольства Французской Республики в России.
20.08.2018 OpenDubna.Ru
Выбираем колледж: взгляд изнутри - OpenDubna.Ru Многие подростки и их родители на пороге девятого класса задумываются о дальнейшей траектории образования: оставаться в 10-11 классе в своей школе, переходить в другую или же поступить в колледж?
19.08.2018 OpenDubna.Ru
16 августа сотрудники Госавтоинспекции г.о.Клин и 1 батальона ДПС (северный) провели для детей, отдыхающих в загородном оздоровительных лагерей « Орленок»,
17.08.2018 Серп и Молот
В Москве и Подмосковье бабье лето может наступить в конце сентября или в октябре, сообщил РИАМО в пятницу заведующий лабораторией климатологии Института географии Российской академии наук (РАН) Владимир Семенов.
18.08.2018 Дмитровский вестник
Пушкинские госавтоинспекторы выявят пешеходов-нарушителей ПДД с 20 по 26 августа - Газета Маяк Пешеходов, нарушающих правила дорожного движения, выявят в Пушкинском районе, а также в городах Ивантеевка и Красноармейск с 20 по 26 августа, говорится в сообщении отдела ГИБДД МУ МВД России «Пушкинское».
19.08.2018 Газета Маяк
От чего следует оберегать детей - в материале корреспондента Орехово-Зуевского ИА Марины Отрадной Подавляющее большинство несчастных случаев, жертвами которых становятся дети,
17.08.2018 Орехово-Зуевская правда
Афиша концертов, экскурсий, мастер-классов, квестов, конкурсов. ДК «Содружество» (мкр.
17.08.2018 Дмитровский вестник
                              Утром во второй день турнира в Визеу команда провела собрание, на котором были проанализированы ошибки, допущенные в третьей четверти субботней встречи с «Бенфикой», когда казалось,
20.08.2018 ГК Чеховские медведи
1 - ФК Химки Сегодня вечером в рамках 7-го тура Олимп – Первенства России по футболу среди команд клубов ФНЛ красно-черные на выезде встречались с воронежским «Факелом».
19.08.2018 ФК Химки
Необычное зрелище наблюдали ружане в воскресенье утром у здания администрации округа.
17.08.2018 Красное знамя
В микрорайоне Львовский подрядная организация ООО » 50 ГЕРЦ» приступила к выполнению работ по комплексному благоустройству дворовой территории по адресу: ул Советская, дома 32, 34.
19.08.2018 Pro-Podolsk.Ru
В совещании приняли участие представители ГБУ «Управление технического надзора капитального ремонта».
18.08.2018 Шатурский район
Источник: Министерство жилищно-коммунального хозяйства Московской области Жители Котельников начали получать чистую воду, таким образом, Подмосковье практически на 100% обеспечено чистой питьевой водой,
17.08.2018 Правительство Московской области