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
14 декабря в Столбовской библиотеке прошла традиционная декабрьская встреча с детьми третьих классов Столбовской СОШ.
14.12.2018
 
 
Делегация из МГОУ на берегу Каспийского моря С 25 по 27 октября в Дагестанском государственном университете  (ДГУ, г. Махачкала) прошла X Всероссийская научная конференция «Физическая электроника – 2018».
14.12.2018
Зарайские педагоги приняли участие в методическом марафоне - За новую жизнь 11 декабря на базе МБОУ «Летуновская средняя школа» прошёл III муниципальный методический марафон учебных предметов, сообщается на сайте управления образования администрации городского округа Зарайск.
14.12.2018
Что останется от книги, если вычесть бумагу? - Газета Вперёд Но у меня, страстного любителя чтения с начальных классов, завсегдатая городской библиотеки, в разное время увлекавшегося классической американской фантастикой, Горьким, Чеховым, Ильфом и Петровым, Туве Янссон, Юрием Ковалем,
14.12.2018
 
Школы Подмосковья укомплектованы учителями на 98% - Котельники сегодня На брифинге журналистов в Доме Правительства министр образования Московской области Ольга Забралова отметила эффективность реализуемых в регионе мер по привлечению лучших педагогов.
14.12.2018 Котельники сегодня
Но у меня, страстного любителя чтения с начальных классов, завсегдатая городской библиотеки, в разное время увлекавшегося классической американской фантастикой, Горьким, Чеховым, Ильфом и Петровым, Туве Янссон, Юрием Ковалем,
14.12.2018 Газета Вперёд
В ходе брифинга, который состоялся 13 декабря в Доме правительства региона, первый заместитель председателя правительства Московской области – министр образования региона Ольга Забралова рассказала,
14.12.2018 Красногорские вести
33 коровы Натальи Дербеневой - Красное знамя Наталья Ивановна Дербенева из крестьянско-фермерского хозяйства «Никольский сырный дворик» награждена орденом преподобного Сергия Радонежского.
14.12.2018 Красное знамя
Анна Марфина.JPG - Газета Факт Спектаклем с таким подчеркнуто театральным названием отметил своё 15-летие музыкальный театр «Дети Мельпомены» ДШИ №7, ведь лицедейство началось уже в фойе концертного зала «Родник»:
14.12.2018 Газета Факт
Гашение марки с видами Дмитрова - Дмитровский вестник В выставочном зале Музея-заповедника «Дмитровский кремль» прошло торжественное гашение первого дня марки,
14.12.2018 Дмитровский вестник
Артисты МХТ имени Чехова и красногорская «Школа гардемаринов» открыли Год театра в Подмосковье - Звенигородские ведомости Тринадцатого декабря старт Году театра был дан по всей стране, Президент России Владимир Владимирович Путин объявил об этом в Ярославле на встрече с ведущими российскими театральными деятелями,
14.12.2018 Звенигородские ведомости
Порядка 80 антикварных кукол в канун новогодних и рождественских праздников представила на выставке в балашихинском историко-краеведческом музее известный искусствовед и антиквар Марина Политова.
14.12.2018 Газета Факт
Мамы тоже играют в футбол - Газета Факт «Лучшая Лига мира – Лига мам» - так назвал свой проект, отмеченный премией «Наше Подмосковье», житель Балашихи Александр Кравченко.
14.12.2018 Газета Факт
Мегамасс-старты «Истины» - Истринские ВСети Вслед за лыжниками спортивный сезон открыли и биатлонисты, в их числе атлеты спортивной школы олимпийского резерва «Истина» Истинцы открыли биатлонный сезон 5 декабря в Екатеринбурге на Всероссийских соревнованиях по 
14.12.2018 Истринские ВСети
Общественный контроль проконтролировал организацию спортивной работы во Дворце спорта «Шатура» - Шатурский район Шатурские единороссы в рамках проекта партии «Единая Россия» «Детский спорт» совместно с членами Общественной палаты городского округа Шатура и группой общественного контроля депутата Московской областной Думы Эдуарда Жи
14.12.2018 Шатурский район
Масштабный проект «Орехово-Зуево — родина российского футбола», посвященный командному виду спорта, активно реализуется в городском округе, его автор — заместитель главы администрации Ирина Кузнецова считает,
14.12.2018 Орехово-Зуевская правда
Грация, пластика, отточенность движений - всё это синхронное плавание. Эту красоту могли наблюдать зрители, пришедшие во Дворец спорта "Олимпийский", чтобы посмотреть соревнования "Русская матрёшка".
14.12.2018 Чехов сегодня
В Мособлдуме приняли изменения в законопроекты по распоряжению землей - Минимущества МО Сегодня на очередном заседании Мособлдумы исполняющий обязанности министра имущественных отношений Московской области Алексей Вьюрков представил два законопроекта, касающиеся земли и ее распоряжения,
14.12.2018 Минимущества МО
5 батальон 2 полка ДПС (южный)  информирует - Газета Новости недели В целях снижения уровня детского дорожно-транспортного травматизма в период с 17 декабря 2018 года по 13 января 2019 года на территории Московской области будет проводиться комплексное информационно-профилактическое меро
14.12.2018 Газета Новости недели
12 декабря в администрации городского округа Шатура состоялось совещание с представителями коммунальных служб и подрядных организаций, занимающихся производством монтажа и запуска станций очистки воды в городском округе.
14.12.2018 Шатурский район