Физики поймали квантовый мир за обманом — электроны плюют на законы и становятся жидкими

Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые экспериментально зафиксировали редкое электронное состояние, которое десятилетиями существовало лишь в теоретических моделях — жидкую фазу волны зарядовой плотности. Волны зарядовой плотности представляют собой форму самоорганизации электронов в твёрдых телах, при которой частицы выстраиваются в периодическую пространственную структуру. Такие электронные конфигурации способны радикально менять свойства материалов и в ряде случаев связаны с появлением сверхпроводимости и других нестандартных физических эффектов.

Физики давно предполагали, что при определённом температурном режиме подобная упорядоченность должна разрушаться по типу фазового перехода, аналогичного плавлению твёрдого тела. Иначе говоря, твёрдое состояние волны зарядовой плотности должно переходить в жидкое. Однако на практике этот процесс никогда не удавалось зафиксировать напрямую. Теоретические описания существовали ещё с начала 1990-х годов, но часть научного сообщества считала, что подобная фаза невозможна из-за жёсткой связи электронных структур с атомной решёткой кристалла.

Команда UCLA получила первые прямые экспериментальные доказательства существования такого состояния на примере слоистого материала 1T-TaS₂, относящегося к дихалькогенидам переходных металлов.

Ранее в научных работах упоминалось существование промежуточной формы между твёрдым и жидким состоянием — так называемой гексатической фазы, при которой пространственная структура теряет жёсткую решётку, но сохраняет частичную ориентационную упорядоченность. Проблема заключалась в том, что при обычном нагреве нужный температурный диапазон оказывался недостижимым: кристаллическая структура материала начинала разрушаться раньше, чем появлялась возможность наблюдать сам электронный переход.

Выход нашли с помощью ультракоротких лазерных импульсов. Исследователи воздействовали на образец фемтосекундными вспышками и фиксировали изменения в распределении электронов в те краткие моменты, когда атомная решётка ещё сохраняла стабильность. Для этого использовалась методика ультрабыстрой электронной дифракции, позволяющая отслеживать пространственную организацию электронных состояний практически в реальном времени.

На начальной стадии эксперимента частицы начинали терять жёсткую привязку к узлам структуры, при этом сохраняя общее направление упорядоченности. Такая картина соответствовала гексатической фазе, описанной в более ранних исследованиях. При дальнейшем воздействии исчезала и эта ориентация: упорядоченность полностью разрушалась, а в дифракционной картине появлялось кольцевое рассеяние — характерный признак жидкого состояния электронной системы.

Именно этот сигнал стал первым прямым экспериментальным подтверждением существования жидкой фазы волны зарядовой плотности. До этого момента подобное состояние оставалось предметом теоретических споров и научных гипотез.

Открытие имеет значение не только для фундаментальной физики. Волны зарядовой плотности тесно связаны с поведением электронов в коррелированных системах, где частицы активно влияют друг на друга. Такие эффекты играют важную роль в физике высокотемпературной сверхпроводимости, и исследователи предполагают, что жидкие CDW-состояния могут быть ключевым элементом фазовых диаграмм подобных материалов.

Применённые методы открывают возможность изучать и другие труднонаблюдаемые электронные фазы в различных веществах, а не только в 1T-TaS₂. Сейчас команда проводит дополнительные эксперименты, чтобы понять, как примеси влияют на жидкое состояние волны зарядовой плотности. Один из рассматриваемых сценариев предполагает переход к стеклообразной, аморфной форме при определённой концентрации примесей, однако этот процесс ещё предстоит подтвердить экспериментально.