Новая фаза материи может помочь создать энергоэффективные технологии
Исследуя квантовый материал — селенид никеля-тантала (Ta2NiSe5), — исследователи из Кембриджского университета наблюдали неожиданно быстрые волны энергии, проходящие через материал при воздействии на него коротких и интенсивных лазерных импульсов. Ученые смогли сделать это открытие при помощи микроскопической камеры, которая может отслеживать небольшие и очень быстрые движения в наномасштабе.
Ученые зондировали материал двумя световыми импульсами: первый нарушал его структуру и создавал колебания, распространяющиеся наружу концентрическими кругами, подобно тому, как камень падает в пруд. Второй импульс позволял отслеживать движение этих волн. Собранные вместе, изображения позволили ученым изучить это явление и выяснить его ограничения.
Оказалось, что при комнатной температуре эти волны движутся со скоростью в 100 раз меньше световой — гораздо быстрее, чем ожидали исследователи. Но когда температура материала увеличивалась, волны как будто совсем переставали двигаться. Ученые долго искали причину такого поведения этих колебаний. Единственное объяснение, которое, казалось, соответствовало всем экспериментальным наблюдениям, состояло в том, что материал содержит при комнатной температуре фазу «экситонного изолятора». Это состояние материи теоретически было предсказано в 1960-х годах, но так до сих пор и не получала подтверждения на практике.
В экситонном изоляторе наблюдаемые волны энергии объясняются движение заряженных нейтральных частиц, которые могут двигаться так же быстро, как электроны. Важно отметить, что эти частицы могут переносить информацию без помех, обусловленных диссипацией, которые в большинстве распространенных материалов влияют на движение заряженных частиц, таких как электроны. Передача энергии без диссипации бросает вызов существующему пониманию процессов переноса энергии и информации в квантовых материалах. Ученые предполагают, что открытие позволит создать новые методы управления этими явлениями.
Статья опубликована в журнале Science Advances.
Фаза экситонного изолятора была предсказана 60 лет назад, но только теперь ученые нашли доказательство ее существования. Только эта фаза может объяснить волны энергии в квантовом материале