Результаты исследования открывают путь к изучению сверхпроводимости и других экзотических состояний электронов в трехмерных материалах.
Электроны в проводящих материалах движутся подобно толпе людей в час пик на улицах Манхэттена. Эти заряженные частицы могут сталкиваться и толкать друг друга, но в основном они игнорируют соседей, устремляясь вперед, каждая со своей энергией.
Однако, когда электроны оказываются заперты в одном состоянии, они могут принять одинаковую энергию и начать действовать согласованно, как единый организм.
Это коллективное состояние называется «плоской полосой» в физике, и ученые считают, что, находясь в этом состоянии, электроны начинают ощущать квантовые эффекты друг друга и проявлять скоординированные квантовые свойства. В таких условиях могут возникать экзотические явления, такие как сверхпроводимость и уникальные формы магнетизма.
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) смогли впервые поймать электроны в чистом кристалле. Это первое достижение, когда ученые наблюдали «плоскую полосу» электронов в трехмерном материале. Более того, они показали, что с помощью химической манипуляции можно превратить этот кристалл в сверхпроводник — материал, который проводит электричество без сопротивления.
Запертое состояние электронов стало возможным благодаря особой геометрии атомов в кристалле. Этот кристалл, созданный физиками, имеет атомную структуру, напоминающую узоры японского плетения корзин «кагоме». В этой геометрии электроны не перескакивали с атома на атом, а оставались «запертыми» в одном энергетическом состоянии.
Исследователи уверены, что это состояние можно достичь с любыми комбинациями атомов, если они расположены в такой же трехмерной геометрии, вдохновленной кагоме.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, дают ученым новый способ изучать редкие электронные состояния в трехмерных материалах, что в будущем может позволить разрабатывать более мощные и энергоэффективные технологии, включая сверхпроводящие линии электропередачи, квантовые биты и быстрые электронные устройства.
«Теперь, когда мы знаем, что можно создать плоскую полосу, используя эту геометрию, у нас появляется стимул изучать другие структуры, которые могут открыть новые физические явления и стать основой для новых технологий», — говорит автор исследования Джозеф Чекельски, профессор физики MIT.