Η ανακάλυψη κρυφών τάξεων, δηλαδή μοτίβων οργάνωσης σε υλικά που δεν μπορούν να ανιχνευθούν με συμβατικά εργαλεία μέτρησης, μπορεί να προσφέρει πολύτιμες γνώσεις, οι οποίες με τη σειρά τους μπορούν να υποστηρίξουν τον σχεδιασμό νέων υλικών με ευνοϊκές ιδιότητες και χαρακτηριστικά. Οι κρυφές τάξεις που ελπίζουν να αποκαλύψουν οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης βρίσκονται μέσα στα λεγόμενα κύματα πυκνότητας φορτίου (CDWs).
Τα CDWs είναι περιοδικές κυματικές διακυμάνσεις του ηλεκτρονικού φορτίου μέσα σε έναν κρύσταλλο. Σε τριτελλουρίδια των σπάνιων γαιών -ενώσεις που περιέχουν τελλούριο και άλλα στοιχεία των σπάνιων γαιών- έχει διαπιστωθεί ότι τα CDWs μπορούν να προκαλέσουν ασυνήθιστα φυσικά φαινόμενα που δεν παρατηρούνται απουσία αυτών των κυματικών καταστάσεων της ύλης.
Παρατήρηση σιδηροαξονικής τάξης
Ερευνητές από το Boston College, το Πανεπιστήμιο Cornell και άλλα ιδρύματα παρατήρησαν πρόσφατα μια σιδηροαξονική τάξη σε τριτελλουρίδια των σπάνιων γαιών, η οποία φαίνεται να προέρχεται από έναν συνδυασμό συζευγμένων τροχιακών και φορτιακών μοτίβων.
Η εργασία τους, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, συνδύασε με μοναδικό τρόπο πειραματικά εργαλεία για να αποκαλύψει λεπτές παραβιάσεις συμμετρίας σε κβαντικά υλικά.
«Η ομάδα μου ενδιαφέρεται εδώ και καιρό για την κατανόηση του τρόπου ανίχνευσης και ερμηνείας αναδυόμενων φάσεων της ύλης», δήλωσε ο Ken Burch, κύριος συγγραφέας του άρθρου και καθηγητής φυσικής στο Boston College, στο Phys.org.
«Η προσέγγισή μας είναι να επικεντρωνόμαστε στα νέα ψευδοσωματίδια που παράγουν αυτές οι φάσεις και να μελετούμε τις ιδιότητές τους, ώστε να μπορούμε να τις ταυτοποιούμε και να τις κατανοούμε με μοναδικό τρόπο».
Πριν τρία χρόνια, ο Burch και οι συνεργάτες του εντόπισαν τη πρώτη αξονική λειτουργία Higgs (δηλαδή έναν μοναδικό τύπο συλλογικής δόνησης της ηλεκτρονικής τάξης ενός υλικού) σε σύστημα CDW. Αυτοί οι τύποι συλλογικών δονήσεων μπορούν να εμφανιστούν όταν τα συστήματα εισέρχονται σε νέες φάσεις ύλης.
«Η λειτουργία που παρατηρήσαμε είχε επίσης και χειρομορφία και ξεκινήσαμε να διερευνήσουμε το γιατί», ανέφερε ο Burch. «Αυτό το άρθρο είναι η προσπάθειά μας να κατανοήσουμε ποιες κρυφές συμμετρίες έχουν παραβιαστεί και ποια είναι η αιτία μέσα στο υλικό».
Οπτικά πειράματα και συμμετρικές παραβιάσεις
Στο πλαίσιο της μελέτης τους, ο Burch και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν διάφορα οπτικά πειράματα. Σε αυτά τα πειράματα, παρατήρησαν ότι το χρώμα και η πόλωση του φωτός που εξέρχεται από το δείγμα τους διέφεραν από αυτά που είχαν όταν το φως εισερχόταν στο δείγμα.
«Μετρώντας προσεκτικά την αλλαγή σε συνάρτηση με την περιστροφή του κρυστάλλου, μπορέσαμε να αποκαλύψουμε τις παραβιασμένες συμμετρίες», εξήγησε ο Burch.
«Εξετάσαμε επίσης συγκεκριμένα χρώματα του εξερχόμενου φωτός για να ανακαλύψουμε αν η αλλαγή ήταν κυρίως ηλεκτρονική ή ατομική. Τα οπτικά πειράματα δείχνουν ξεκάθαρα ότι πρόκειται για ηλεκτρονική προέλευση. Το επαληθεύσαμε επιπλέον με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το οποίο διαπίστωσε ότι το φερροαξονικό στοιχείο ήταν εξαιρετικά αδύναμο στο πλέγμα, αποδεικνύοντας έτσι την ηλεκτρονική του φύση».
Μετρήσεις σπιν μυονίων
Αφού παρατήρησαν μια σιδηροαξονική τάξη στο δείγμα τους από τριτελλουρίδιο σπάνιας γαίας και προσδιόρισαν την ηλεκτρονική της προέλευση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μετρήσεις χαλάρωσης σπιν μυονίων.
Αυτές οι μετρήσεις τους επέτρεψαν να επιβεβαιώσουν ότι η χειρομορφία στο σύστημα δεν προέκυπτε από παραβίαση της χρονικής αναστροφής (δηλαδή από ηλεκτρόνια που κινούνται κυκλικά σε μαγνητικό πεδίο).
Προοπτικές για το μέλλον
Η μελέτη αυτή δείχνει τη δυναμική της μελέτης κρυφών φάσεων της ύλης μέσω της ανάλυσης συμμετριών των αναδυόμενων ψευδοσωματιδίων σε τέτοια υλικά.
Στο μέλλον, τα ευρήματα της ομάδας θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση θεωρητικών μοντέλων στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, ενώ ενδέχεται επίσης να εμπνεύσουν αντίστοιχες πειραματικές προσπάθειες.
«Η εργασία μας επιβεβαιώνει μια παλαιά πεποίθηση, ότι οι λειτουργίες Higgs μπορούν να προσφέρουν αδιαμφισβήτητα σημάδια τέτοιων φάσεων και να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε την προέλευσή τους (π.χ. μαγνητική, πλεγματική, ηλεκτρονική κ.λπ.)», πρόσθεσε ο Burch.
«Αυτή τη στιγμή εργαζόμαστε για να κατανοήσουμε πώς να επιτύχουμε μονούς φερροαξονικούς τομείς και πώς αυτή η τάξη επηρεάζει άλλες ηλεκτρονικές ιδιότητες αυτών των υλικών. Συγκεκριμένα, τη μεταφορά φορτίου και τις μη γραμμικές αποκρίσεις τους».
More information: Birender Singh et al, Ferroaxial density wave from intertwined charge and orbital order in rare-earth tritellurides, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03008-2.
Journal information: Nature Physics
