Физики раскрыли секрет электронов, который десятилетиями ускользал от исследователей

Физики и инженеры Корнеллского университета показали, что в некоторых сложных квантовых материалах электроны в основном не «перескакивают» между слоями, а остаются там, где были изначально. Для этого команда разработала новый вычислительный метод, который позволяет буквально проследить, куда электроны уходят, а куда нет, в многослойных кристаллах.

Речь идет о так называемых несоизмеримых или misfit-материалах. В них кристаллические решетки соседних слоев не совпадают по периодичности: можно представить себе конструкцию из кубиков LEGO, где один слой сложен по квадратной сетке, а другой по шестиугольной. Снаружи материал выглядит как единое целое, но на атомном уровне слои как будто не могут идеально состыковаться. Такие структуры считаются перспективной площадкой для поиска необычных квантовых эффектов, включая сверхпроводимость.

Долгое время считалось, что сильные сдвиги энергетических зон, которые наблюдают в таких misfit-системах, означают одно: значительная часть электронов физически перетекает из одного слоя в другой. Однако расчеты исследователей из Корнелла показывают иную картину. Они обнаружили, что химические связи на границе между несовпадающими слоями заставляют электроны внутри каждого слоя перераспределяться и увеличивают число электронов с высокой энергией, хотя реально между слоями перемещается сравнительно мало частиц.

«Это важный класс материалов, который сейчас пытаются понять», говорит руководитель работы, профессор физики Томас Ариас. По его словам, misfit-структуры стали идеальным испытательным полигоном для нового подхода к вычислениям. Метод использует идею о том, что электроны в твердом теле в первую очередь реагируют на свое ближайшее окружение. На микроскопическом уровне электрон можно описывать как волну, которая распространяется по кристаллу, но в плотной электронной системе многие волны взаимно гасят друг друга, как рябь на поверхности густо заполненного бассейна. В итоге для поведения конкретного электрона главным становится локальная среда, а не весь кристалл целиком.

Аспирант Дрейк Неджельски применил новый вычислительный подход к моделированию несоизмеримых слоистых систем, где чередуются слои редкоземельной соли с квадратной симметрией и материалы с гексагональной решеткой. Эксперименты показывали, что в гексагональном слое возрастает число высокоэнергетических электронов, и это обычно трактовали как признак большого переноса заряда из соседнего слоя. Но точные квантово-механические расчеты Неджельски дали иной результат: реальный перенос оказался примерно в шесть раз меньше, чем следовало из традиционных интерпретаций. Большинство электронов просто «перестраивали» свое распределение внутри каждого слоя, почти не покидая «родной» плоскости.

Для подготовки расчетов важную роль сыграли микроскопические изображения образцов. Группа Лены Куркутис выполнила высокоточное зондирование структуры misfit-материалов, что позволило надежно определить положение атомов и ускорить вычисления. Сам метод, получивший название MINT-Sandwich, относится к классу ab initio подходов и, по словам Ариаса, открывает доступ к электронным структурам материалов, которые раньше считались слишком сложными для прямых расчетов без искусственных упрощений и натяжек.

Исследователи подчеркивают, что такой «вычислительный эксперимент» дает информацию не хуже хорошо контролируемых лабораторных измерений. Фактически он становится третьим независимым источником данных наряду с традиционной теорией и физическим экспериментом. Это важно не только для проверки прежних представлений о поведении электронов, но и для проектирования новых квантовых материалов на заказ, например структур с необычными электронными свойствами или устройств с высокой эффективностью электрического охлаждения.

Работа, в которой описан новый метод и результаты его применения к несоизмеримым слоям, опубликована в журнале Physical Review Letters под названием «Unmasking Charge Transfer in the Misfits: ARPES and Ab Initio Prediction of Electronic Structure in Layered Incommensurate Systems without Artificial Strain».