Изоляторы Мотта - это удивительные материалы, которые вызывают интерес у физиков уже на протяжении многих лет. Они обладают структурами, которые, согласно теории, должны проводить электричество, но на практике оказываются изоляторами. Эти материалы содержат сильно коррелированные электроны, и благодаря им можно получить необычное мультичастичное запутанное состояние, если атомы такого материала перевести в нетрадиционное возбуждённое состояние.
Многие физики предполагали, что нетрадиционное возбуждение изолятора Мотта можно наблюдать только при низких температурах. Однако, недавние исследования группы ученых из Университета Йонсей, Университета Рутгерса, KAIST и других институтов Южной Кореи, показали, что признаки нетрадиционных возбуждений изолятора Мотта могут быть обнаружены при комнатной температуре.
«В магнитных материалах при понижении температуры спины электронов начинают взаимодействовать, что в конечном итоге приводит к упорядоченным состояниям», — рассказали профессор Джэ Хун Ким и профессор Ын-Гук Мун, двое исследователей, проводивших исследование. «Например, в основном ферромагнитном состоянии все спины параллельны друг другу, тогда как в основном антиферромагнитном состоянии они антипараллельны. Однако в квантовой спиновой жидкости спины остаются неупорядоченными даже при чрезвычайно низких температурах из-за макроскопических квантовых запутанность среди них».
Эти нетрадиционные возбуждения, которые были описаны в статье в журнале Nature Physics, были обнаружены в изоляторе Мотта, известном как оксид тербия индия (TbInO3). Этот материал имеет треугольную структуру решетки, и исследователи обнаружили, что его электроны взаимодействуют между собой и образуют очень сложные и запутанные состояния.
Квантовая спиновая жидкость - это особая фаза материи, которая была предложена Филипом Андерсоном, лауреатом Нобелевской премии, еще в 1973 году. Их относят к изоляторам Мотта без магнитного упорядочения. Именно поэтому ранее считалось, что квантово-спиновые жидкости не взаимодействуют с внешними электромагнитными полями и не могут быть обнаружены оптическими измерениями при комнатной температуре. Однако, исследователи из Южной Кореи решили проверить это предположение и получили интересные результаты.
«В начале 2010-х годов исследовательская группа под руководством профессора Патрика Ли из Массачусетского технологического института предположила, что класс квантово-спиновых жидкостей может косвенно «видеть» внешние электромагнитные поля, а также предсказала, что оптическая проводимость будет пропорциональна квадрату частоты при низких частотах», — объяснили профессоры Ким и Мун. «Несмотря на многочисленные усилия за последние 10 лет, кандидаты в квантово-спиновые жидкости, демонстрирующие эти характерные свойства, не были найдены».
В рамках своего недавнего исследования Ким, Мун и их коллеги решили бросить вызов давнему убеждению, что экзотические возбуждения существуют в изоляторах Мотта только при низких температурах . Для достижения этой цели в рамках их сотрудничества были выращены высококачественные монокристаллы изолятора Мотта TbInO3 в лаборатории профессора Санг-Вук Чеонга в Университете Рутгерса, используя метод, известный как лазерный рост с плавающей зоной.
Команда специально выбрала TbInO3, потому что предыдущие исследования профессора Чеонга и его коллег выявили уникальные характеристики этого материала с помощью методов рассеяния нейтронов, которые показали, что он демонстрирует поведение квантовой спиновой жидкости. После того, как исследователи вырастили образцы TbInO3 в Рутгерсе, эти образцы были проанализированы в Университете Йонсей в Южной Корее с использованием методов терагерцовой спектроскопии во временной области.
В ходе этих экспериментов профессор Ким и его команда из Университета Йонсей заметили, что терагерцовая проводимость материала точно пропорциональна квадрату частоты света даже при комнатной температуре. Наконец, профессор Ын-Гук Мун из KAIST разработал ряд теоретических интерпретаций, которые могли бы объяснить эти удивительные экспериментальные наблюдения.
«Наиболее примечательным открытием нашей работы является открытие нетрадиционных носителей заряда, состоящих из макроскопического числа квантовых спинов», — заявили профессоры Ким и Мун. «В отличие от распространенного мнения, что носители заряда не существуют при низких энергиях в изоляторе, мы доказываем само существование носителей заряда, измеряя оптическую проводимость, пропорциональную квадрату частоты света. выживают и когерентны до комнатной температуры».
Профессор Ким, профессор Мун, профессор Чеонг и их коллеги экспериментально продемонстрировали, что нетрадиционные носители заряда также могут быть обнаружены в изоляторах Мотта при комнатной температуре. Их работа вскоре может проложить путь для дальнейших экспериментов и исследований по теоретической физике, которые могут пролить дополнительный свет на физику, лежащую в основе их наблюдений.
«Один из вероятных сценариев заключается в том, что носители заряда происходят из класса квантово-спиновых жидкостей, предложенного профессором Ли», — говорят исследователи.
Профессор Ким предполагает, что квантово-спиновые жидкости макроскопически обладают сильно запутанными состояниями и что эти состояния по своей сути встроены в них. Его коллега Со Хе ожидает, что исследование глубоких физических принципов, лежащих в основе квантово-спиновых жидких состояний, может в конечном итоге способствовать созданию отказоустойчивых квантовых компьютеров, которые будут работать даже при комнатной температуре .
«В целом мы планируем расширить наши исследования на другие соединения оксида индия и искать аналогичные эффекты», — добавили исследователи.
Их исследование вызывает вопросы о том, какие еще возможности и свойства могут быть обнаружены в изоляторах Мотта при комнатной температуре. Это открывает новые горизонты для исследований в области физики и материаловедения. Возможно, в будущем мы сможем применить эти материалы в новых технологиях, которые потребуют уникальных свойств и возбуждений, которые предлагают изоляторы Мотта.
Таким образом, исследование группы ученых из Южной Кореи подтверждает, что изоляторы Мотта могут иметь интересные свойства и возбуждения даже при комнатной температуре. Это открывает новые перспективы для дальнейших исследований в этой области и может привести к разработке новых технологий на основе этих уникальных материалов.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться, будет ещё много таких. Есть мысли по предмету статьи и не только - приглашаю в комментарии. Также, если интересно, можете ознакомиться со страницами нашего проекта на других платформах, ссылки найдёте в описании канала. Кроме того, у меня есть страница на сервисе поддержки авторов Бусти, просто сообщаю, поддержка - дело добровольное, ссылка так же в описании канала.
Источник:
Таек Сунь Юнг и др., Нетрадиционные носители при комнатной температуре в изоляторе Мотта с треугольной решеткой TbInO3 (Taek Sun Jung et al, Unconventional room-temperature carriers in the triangular-lattice Mott insulator TbInO3), Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02174-5
