Превращение проводника в изолятор впервые увидели напрямую
Физики напрямую экспериментально наблюдали моттовский переход — превращение проводника в изолятор, обусловленное межэлектронным кулоновским отталкиванием. Понимание механизмов перехода и управление им может привести к созданию новых элементов квантовых компьютеров. Статья опубликована в Nature Materials.
Электрический ток устроен гораздо сложнее, чем нас учили в школе. Отрицательно заряженые электроны, двигающиеся по проводнику, взаимодействуют друг с другом и с атомами кристаллической решетки и отталкиваются друг от друга по закону Кулона. В большинстве материалов кулоновским отталкиванием можно пренебречь, поскольку кулоновская энергия U, которая характеризует интенсивность взаимодействия, намного меньше средней кинетической энергии электронов W. Однако в некоторых веществах это отношение обратное, частицы оказываются «заперты» внутри кристалла и материал становится не проводником, а изолятором. Впервые это явление экспериментально обнаружили в 1937 году Ян де Бур и Эверт Вервей, а теоретически это явление объяснили Невилл Мотт и Рудольф Пайерлс. Сейчас изоляторы с подобным образом «запертыми» электронами называют моттовскими.
Теоретические исследования показывают, что при уменьшении энергии U моттовский изолятор постепенно превращается в проводник — проиходит так называемый моттовский переход. К сожалению, увидеть подобный переход на практике очень сложно: как правило, свойства электронов в существенной степени подвержены магнитным взаимодействиям, в результате чего происходит переход в магнитно-упорядоченную фазу, что мешает выделить эффект моттовской диэлектризации.
Многие специалисты уверены, что на основе эффекта моттовского перехода могут быть созданы электронные элементы и узлы для быстрых компьютеров. Такие элементы могли бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее. Но пока учёные только начинают исследовать это явление в эксперименте.
Обычно этот эффект изучают на обычных металлах. Группа физиков под руководством адъюнкт-профессора МФТИ Мартина Дресселя решила исследовать его на примере спиновой жидкости. Это магнитное состояние возникает в некоторых материалах при низких температурах, когда частицы со спинами в них не упорядочиваются, а образуют коллективные запутанные состояния. То, что у частиц в спиновых жидкостях нет магнитного порядка, и привлекает ученых, поскольку это позволяет выделить эффекты, которые связаны со взаимодействием зарядов, а не спинов электронов. Потому в спиновой жидкости проще наблюдать фазовый переход между моттовским изолятором и проводником.
Для эксперимента ученые выбрали довольно сложные органические соединения, сокращенно их обозначают как EtMe, AgCN и CuCN. Их поведение физики исследовали при помощи инфракрасной и терагерцовой спектроскопии. Физики изучили зависимость поглощения (его называют еще оптической провеодимостью) электромагнитного излучения в EtMe, AgCN и CuCN от частоты зондирующего излучения. Диапазон частот при этом варьировался от 100 до 4000 обратных сантиметров (обратный сантиметр — величина, обратная длине волны излучения в сантиметрах). Из полученных зависимостей исследователи получили значения кинетической энергии электронов W и кулоновской энергии взаимодействия между ними U.
Полученные в эксперименте точки ученые отложили на фазовой диаграмме, то есть на плоскости (U/W,T/W) (T — температура материала), и получили линию, которая разделяет фазы изолятора и проводника. Ее называют линией Уидома (quantum Widom line). В результате физикам удалось поймать моменты превращения каждой из жидкостей в моттовский изолятор, отслеживая изменение их параметров при понижении температуры. Оказалось, что в рамках экспериментальных погрешностей экспериментально построенная линия Уидома совпадает с теоретическими предсказаниями.
Таким образом, физики впервые в чистом виде экспериментально наблюдали моттовский переход. Кроме этого в CuCN вблизи границы между областями они обнаружили состояние с металлическими квантовыми флуктуациями, которое до сих пор не наблюдалось из-за магнитного порядка. Проведенные исследования помогут в будущем в разработке электронных компонентов с новыми свойствами.
