Μια νέα μελέτη φυσικών του MIT αποκαλύπτει με πρωτοφανή λεπτομέρεια πώς δύο διαφορετικές φάσεις ηλεκτρονικής συμπεριφοράς μπορούν να εμφανίζονται και να συνυπάρχουν στο ίδιο κβαντικό υλικό.
Οι ερευνητές μελέτησαν το σπάνιο υλικό τριτελλουρίδιο του ερβίου, στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να οργανώνονται σε κυματοειδή μοτίβα γνωστά ως κύματα πυκνότητας φορτίου. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics, μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση φαινομένων όπως η υπεραγωγιμότητα και ο μαγνητισμός.
Δύο διαφορετικές φάσεις ηλεκτρονίων
Σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια του τριτελλουριδίου του ερβίου παύουν να κατανέμονται ομοιόμορφα και οργανώνονται σε ένα κυματοειδές μοτίβο. Όταν η θερμοκρασία μειώνεται ακόμη περισσότερο, εμφανίζεται μια δεύτερη κυματοειδής φάση κάθετη στην πρώτη, δημιουργώντας ένα είδος ατομικής σκακιέρας.
Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι οι δύο φάσεις μπορούν να συνυπάρχουν, όμως ο τρόπος με τον οποίο σχηματίζονται παρέμενε αντικείμενο συζήτησης.
«Κούνησαν» και παρακολούθησαν το υλικό
Η ερευνητική ομάδα ψύξε δείγματα του υλικού περίπου στους -230 βαθμούς Κελσίου και χρησιμοποίησε δύο διαδοχικούς παλμούς λέιζερ.
Ο πρώτος παλμός διατάρασσε ή κατέστρεφε τα ηλεκτρονικά μοτίβα, ενώ ο δεύτερος εκτόξευε ηλεκτρόνια από το υλικό. Μετρώντας την ενέργεια και την ορμή αυτών των ηλεκτρονίων σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, οι ερευνητές μπορούσαν να δημιουργήσουν στιγμιότυπα της διαδικασίας επανασχηματισμού των δύο φάσεων.
«Έτσι “κουνάμε” και στη συνέχεια “ακούμε” το σύστημα», εξηγεί ο Nuh Gedik, καθηγητής φυσικής στο MIT.
Διαφορετικός τρόπος επανασχηματισμού
Η πρώτη, κυρίαρχη φάση επανεμφανίστηκε σταδιακά και ομοιόμορφα, ανεξάρτητα από το πόσο έντονα είχε διαταραχθεί. Η συμπεριφορά αυτή αντιστοιχεί σε μια κλασική μετάβαση δεύτερης τάξης, παρόμοια με τη σταδιακή απώλεια του μαγνητισμού όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.
Η δεύτερη, υποδεέστερη φάση παρουσίασε μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά. Αντί να επανεμφανιστεί ομοιόμορφα, σχηματίστηκε αρχικά σε ξεχωριστές περιοχές και στη συνέχεια αυτές επεκτάθηκαν. Οι ερευνητές παρομοιάζουν τη διαδικασία με τον τρόπο που το νερό μετατρέπεται σε πάγο, καθώς οι κρύσταλλοι σχηματίζονται σε συγκεκριμένα σημεία και εξαπλώνονται.
Η μετάβαση αυτή ανήκει στον πιο σπάνιο τύπο πρώτης τάξης και αποκαλύπτει έναν μηχανισμό που παρέμενε για χρόνια αντικείμενο θεωρητικής συζήτησης.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διαφορετικές ηλεκτρονικές φάσεις συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν μπορεί να προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για πιο σύνθετα υλικά, στα οποία συνυπάρχουν υπεραγωγιμότητα, μαγνητισμός και κύματα πυκνότητας φορτίου. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα ευρήματα μπορούν να βοηθήσουν στον σχεδιασμό νέων κβαντικών υλικών και ηλεκτρονικών συσκευών υψηλών επιδόσεων.