Открыто новое состояние вещества: физики впервые увидели жидкую форму электронного кристалла

В физике конденсированного состояния существует класс явлений, наблюдение которых считается невозможным из-за фундаментальных ограничений термодинамики. Речь идет о фазовых переходах, скрытых за другими, более грубыми структурными изменениями материи. Группе исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) удалось обойти эти ограничения. Используя методы сверхбыстрой электронной дифракции, они впервые экспериментально зафиксировали переход волны зарядовой плотности в жидкое состояние. Это открытие подтверждает теоретические модели тридцатилетней давности и предлагает новый протокол для доступа к скрытым фазам квантовых материалов.

Классическая термодинамика описывает состояния вещества в равновесии, когда система имеет достаточно времени для распределения энергии. Однако многие экзотические квантовые фазы существуют лишь в узких промежутках условий, которые невозможно достичь при медленном изменении температуры. Новая работа показала, как использование фемтосекундных лазерных импульсов позволяет обмануть кристаллическую решетку и наблюдать эволюцию электронной подсистемы в чистом виде.

Проблема волн зарядовой плотности

Объектом исследования стали волны зарядовой плотности (Charge Density Waves, CDW). В обычных металлах электроны проводимости распределены по объему материала относительно равномерно, образуя так называемую Ферми-жидкость. Однако в некоторых слоистых кристаллах, таких как дисульфид тантала (1T-TaS₂), при понижении температуры происходит спонтанное нарушение симметрии. Электронная плотность модулируется, формируя жесткую периодическую сверхструктуру.

Этот электронный кристалл возникает поверх основной кристаллической решетки атомов. Теоретическая физика давно предсказывала, что при повышении температуры этот электронный порядок должен плавиться, переходя в состояние жидкости волны зарядовой плотности. Это состояние принципиально отличается от обычного хаоса электронов в металле: в нем сохраняются локальные корреляции и амплитуда параметра порядка, но исчезает дальний порядок — как трансляционный, так и ориентационный.

Сложность заключалась в том, что для большинства материалов-кандидатов температура плавления электронной решетки оказывается выше температуры структурной нестабильности самого материала. В случае с дисульфидом тантала при нагревании до 600 Кельвинов происходит необратимый фазовый переход атомной структуры из политипа 1T в политип 2H. В фазе 2H условия для существования волн зарядовой плотности исчезают. Таким образом, искомая жидкая фаза оказывается термодинамически недостижимой: кристалл разрушается быстрее, чем плавится его электронная подсистема.

Метод сверхбыстрой дифракции

Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи использовали тот факт, что электроны и атомные ядра имеют несопоставимые массы и, как следствие, разные характерные времена реакции. Электронная подсистема способна поглощать энергию и перестраиваться на порядки быстрее, чем тяжелая ионная решетка успеет отреагировать на изменение температуры.

Эксперимент проводился с использованием установки сверхбыстрой электронной дифракции. Методика основана на принципе «накачка — зондирование»:

1. Оптическая накачка: образец облучается лазерным импульсом длительностью всего 180 фемтосекунд. Этот импульс передает энергию электронной системе, мгновенно нагревая ее.
2. Электронное зондирование: спустя точно выверенную задержку (от сотен фемтосекунд до пикосекунд) через образец пропускается пучок электронов.

Рассеиваясь на атомах и электронной плотности, пучок формирует дифракционную картину, которая позволяет судить о мгновенной структуре материала. Временное разрешение установки составляло около 375 фемтосекунд, что позволило зафиксировать состояние системы в тот краткий промежуток времени, когда электронный порядок уже разрушен высокой температурой, но атомная решетка еще не успела перестроиться в фазу 2H. Фактически, ученые создали перегретое, метастабильное состояние вещества.

Механика плавления в двумерных системах

Интерпретация полученных данных базируется на теории Березинского—Костерлица—Таулеса—Халперина—Нельсона—Янга (KTHNY). Эта теория описывает процесс плавления в двумерных системах, который, в отличие от трехмерного случая, происходит не скачкообразно, а в два этапа через промежуточную фазу.

Процесс управляется возникновением топологических дефектов двух типов: дислокаций и дисклинаций.

1. Твердая фаза: система обладает как позиционным (трансляционным) порядком — узлы решетки находятся на своих местах, так и ориентационным порядком — оси симметрии направлены одинаково.
2. Гексатическая фаза: при повышении температуры в решетке возникают и разделяются пары дислокаций. Это разрушает дальний трансляционный порядок (невозможно точно предсказать положение узла на большом расстоянии), но сохраняет квазидальний ориентационный порядок (локальная шестиугольная симметрия все еще ориентирована в одном направлении).
3. Жидкая фаза: при дальнейшем нагреве дислокации распадаются на дисклинации. Это уничтожает и ориентационный порядок. Система становится изотропной.

До сих пор наблюдать полную последовательность этих переходов для волн зарядовой плотности не удавалось.

Экспериментальные доказательства

Анализ дифракционных картин позволил исследователям детально восстановить эволюцию состояния CDW после лазерного удара.

В серии экспериментов с начальной температурой образца 360 К наблюдался переход в гексатическую фазу. На дифракционных изображениях четкие пики Брэгга (характерные для кристалла) деформировались, расширяясь в азимутальном направлении. Это указывало на то, что корреляции положений электронов нарушились, но общая ориентация сверхрешетки сохранилась.

Однако решающий результат был получен при повышении начальной температуры до 520 К. Лазерный импульс переводил систему в режим высоких энергий, недоступный в равновесии. На детекторах фиксировалось полное исчезновение дискретных пиков и формирование диффузного кольца равномерной интенсивности (гало).

Появление кольца свидетельствует о полной изотропии системы. Электронная плотность потеряла привязку к осям кристаллической решетки. Это является прямым спектроскопическим доказательством существования жидкой фазы волны зарядовой плотности. В этом состоянии амплитуда волны сохраняется (электроны все еще скоррелированы), но пространственная структура становится текучей, лишенной фиксированной геометрии.

Компьютерное моделирование методом молекулярной динамики подтвердило выводы экспериментаторов. Виртуальная модель системы воспроизвела двухступенчатый процесс плавления через пролиферацию (размножение и разделение) топологических дефектов.

Значение для физики конденсированных сред

Результаты работы имеют значение, выходящее за рамки изучения конкретного соединения тантала.

1. Валидация теории KTHNY для электронных кристаллов. Теория двухступенчатого плавления, изначально разработанная для сверхтекучих пленок и жидких кристаллов, получила подтверждение в сложной электронной системе твердого тела. Это доказывает универсальность механизма топологических дефектов в разрушении упорядоченных структур двумерной размерности.

2. Доступ к скрытым фазам. Исследование демонстрирует, что фазовая диаграмма материала в равновесных условиях не является полной картой его возможных состояний. Используя неравновесные методы (сверхбыстрое оптическое возбуждение), физики могут получать доступ к областям, которые ранее считались «запрещенными». Это открывает путь к изучению метастабильных фаз, которые могут обладать уникальными электронными или магнитными свойствами.

3. Понимание высокотемпературной сверхпроводимости. Многие механизмы высокотемпературной сверхпроводимости предполагают существование жидкоподобных электронных фаз (например, электронных нематиков) в качестве прекурсоров сверхпроводящего состояния. Прямое наблюдение жидкой волны зарядовой плотности дает экспериментальную базу для уточнения моделей поведения сильно коррелированных электронных систем.

Работа устанавливает новый стандарт в исследовании квантовых материалов: свойства вещества теперь определяются не только его химическим составом и температурой, но и траекторией движения в фазовом пространстве, которую можно задавать с фемтосекундной точностью.

Источник:arXiv