Nowa faza materii

Grupa fizyków pracujących pod kierunkiem Davida Hsieha z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech) odkryła nieznaną fazę materii. Nowa faza charakteryzuje się niezwykłym sposobem uporządkowania elektronów i być może zostanie w przyszłości wykorzystana do budowy urządzeń elektronicznych.

Nie spodziewaliśmy się takiego odkrycia, żadna wcześniejsza teoria tego nie przewiduje, mówi Hsieh. W przeszłości pracował on w zespole, który odkrył izolatory topologiczne. Cały postęp elektroniki jest napędzany odkryciami nowych faz materiałów, w których odnajdujemy nowe makroskopowe właściwości fizyczne.

Odkrycia dokonano podczas testowania laserowej techniki pomiaru tzw. porządku wielobiegunowego. Aby uświadomić sobie, czym jest ten porządek, możemy wyobrazić sobie kryształ, w którym poruszają się elektrony. W pewnych okolicznościach mogą pojawić się warunki, w których najbardziej korzystne dla elektronów z energetycznego punktu widzenia jest tworzenie regularnych wzorców i pojawianie się przemiany fazowej. Takie uporządkowanie ładunków można opisać za pomocą wartości liczbowych. Elektrony posiadają jednak pewien stopień swobody (spin). Jeśli spiny ułożą się równolegle pojawia się ferromagnetyzm. Fazy z uporządkowanym spinem opisuje się za pomocą wektorów.

Przez dziesięciolecia nauka rozwinęła różne techniki opisu obu typów faz. Co jednak, jeśli elektrony nie zostają uporządkowane w żaden z opisanych sposobów, gdy ich porządek nie może zostać opisany za pomocą wektora czy liczby, a tworzą bardziej przestrzenny wzorzec, jak matryca. Tak dzieje się gdy w uporządkowanej fazie mamy pary elektronów ze spinami zwróconymi w przeciwnych kierunkach. To jest właśnie tzw. porządek wielobiegunowy. Jest on trudny do wykrycia za pomocą tradycyjnych metod.
Grupa Hsieha postanowiła zbadać porządek wielobiegunowy za pomocą generacji drugiej harmonicznej. Uczeni chcieli wykorzystać fakt, że zmiany w symetrii kryształu w różny sposób wpływają na każdą z harmonicznych. Mieli bowiem nadzieję, że w ten sposób uzyskają unikatowy "odcisk palca" danego porządku wielobiegunowego. Odkryliśmy, że światło odbite w częstotliwości drugiej harmonicznej ujawnia obecność symetrii zupełnie innej od wszystkich znanych struktur krystalicznych. Efekt ten zupełnie nie występował w składowej podstawowej. To oczywisty dowód występowania szczególnego typu porządku wielobiegunowego - mówi Hsieh.

Niezwykły porządek zauważono w tlenku strontowo-irydowym (Sr₂IrO₄). To interesujący materiał wykazujący niektóre cechy miedzianów. Z kolei miedziany to jedyna klasa materiałów, w których pojawia się nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (powyżej 100 kelwinów, czyli -173 stopni Celsjusza). Gdy miedziany przechodzą z fazy izolatora do nadprzewodnika pojawia się w nich niezupełna przerwa energetyczna (pseudoprzerwa). Od dziesięcioleci zastanawiano się nad jej pochodzeniem i rolą w pojawieniu się nadprzewodnictwa. Naukowcy starają się zrozumieć to zjawisko, gdyż mają nadzieję, że dzięki temu będą w stanie tworzyć nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej. Niedawno pseudoprzerwę zaobserwowano też w Sr₂IrO₄, a grupa Hsieha zauważyła, że obecność odkrytego przez nią porządku wielobiegunowego jest związana z takim samym wzbogacaniem materiału oraz z temperaturą, w której obecna jest pseudoprzerwa. Uczeni wciąż badają, czy pojawianie się pseudoprzerwy i porządku wielobiegunowego dokładnie się ze sobą pokrywają, jednak wstępne wyniki wskazują, że istnieje związek pomiędzy oboma zjawiskami.

Uczony sądzi też, że nowo odkryty porządek może występować w wielu innych materiałach. Sr₂IrO₄ to pierwszy materiał, który badaliśmy i warto byłoby przyjrzeć się też innym materiałom. Mamy zamiar zrobić to w następnym etapie badań.

porządek wielobiegunowy faza nadprzewodnik