Ученые разгадали тайну необычного поведения электричества в квантовых металлах с экзотическим названием «кагоме». Им удалось выяснить, почему слабые магнитные поля способны кардинально изменять электрические характеристики этих материалов.
Название «кагоме» происходит от японского слова, переводящегося как «глаза корзины» — так называется традиционный узор плетения из бамбука, который выглядит как сложная сетка из треугольников. В металлах кагоме атомы располагаются именно таким образом, создавая уникальную структуру, которая заставляет электроны вести себя очень необычно.
В обычных металлах электроны движутся достаточно свободно, но в кагоме-металлах уникальная геометрия кристаллической решетки создает так называемую «геометрическую фрустрацию». Электроны не могут организоваться в простые упорядоченные структуры и вынуждены формировать сложные квантовые состояния, включая миниатюрные петлевые токи внутри материала.
«Каждый раз, когда мы наблюдали магнитное переключение, мы понимали, что происходит нечто экстраординарное, но не могли объяснить, почему», — делится воспоминаниями соавтор исследования, профессор Хироши Контани из Университета Нагоя.
Теперь ученые выяснили, что при охлаждении до -190°С в этих металлах естественным образом возникают квантовые состояния, где электроны образуют циркулирующие токи и создают волнообразные узоры по всему материалу. Когда физики воздействуют на такой металл слабым магнитным полем, направление этих токов изменяется на противоположное, что приводит к изменению предпочтительного направления протекания тока в металле — диодному эффекту.
Однако самое поразительное открытие заключается в том, что квантовые геометрические эффекты усиливают это переключение примерно в 100 раз. «Металлы кагоме делают квантовые эффекты значительно сильнее, чем в обычных металлах», — поясняет Контани. «Сочетание их кристаллической структуры и поведения электронов позволяет им одновременно нарушать определенные фундаментальные законы физики — явление, известное как спонтанное нарушение симметрии. Это крайне редкое явление в природе и объясняет, почему эффект столь мощный».
Эта загадка оставалась неразгаданной с момента открытия металлов кагоме около 2020 года. Несмотря на то что ученые быстро заметили загадочный эффект электрического переключения в экспериментах, они не могли объяснить механизм его функционирования. Квантовые взаимодействия оказались настолько сложными, что потребовалось несколько лет для разработки теории, способной их описать.
Это открытие может привести к созданию принципиально новых электронных устройств, которыми можно будет управлять с помощью простых магнитов, например, магнитной памяти нового поколения или сверхчувствительных сенсоров. Открытие японских ученых обещает стать основой для разработки технологий, основанных на квантовом управлении электрическими свойствами материалов.
Физики впервые зафиксировали в металле кагоме поведение так называемых «тяжелых фермионов».
Фото: hi-tech.mail.ru