Исследователи из Университета Райса обнаружили способ возвращать исчезающие электронные паттерны — волны зарядовой плотности (CDW) — в квантовых материалах, используя специальный температурный режим. Это открытие, опубликованное 7 апреля в журнале Nature Communications, позволяет по-новому настраивать свойства квантовых материалов и получать устройства с заданными характеристиками прямо в процессе их эксплуатации.
В центре работы — металл с решёткой Кагоме, железогерманид (FeGe). Эта структура состоит из треугольников, соединённых по углам, что приводит к необычным квантовым эффектам. В FeGe волна зарядовой плотности появляется при температурах ниже 100 Кельвин, но после нагрева до высоких температур и последующего охлаждения исчезает. Однако, если затем провести дополнительное «отпускание» (отжиг) при более низкой температуре, CDW возвращается — и даже становится более выраженной. Такое поведение крайне редко встречается среди квантовых материалов.
Группа учёных под руководством профессора физики и астрономии Пенченга Дая (Pengcheng Dai) провела цикл экспериментов с многократным нагревом и охлаждением образцов FeGe. Использовались методы высокоразрешающей сканирующей электронной микроскопии, нейтронного рассеяния и измерения эффекта Холла — для отслеживания изменений структуры, магнитных свойств и проводимости электронов. Ключевую роль сыграла инженерия дефектов: выяснилось, что при высокотемпературном отжиге германий покидает кристаллическую решётку, образуя равномерно распределённые вакансии (отсутствия атомов). При низкотемпературном отжиге эти вакансии собираются в протяжённые области, что стабилизирует длинноволновую CDW.
Восстановление CDW сопровождается появлением двух различных магнитных порядков, при этом один из них тесно связан с самой волной зарядовой плотности. Изменения затрагивают и электронный транспорт: проводимость в магнитном поле возрастает в 10 раз при возвращении CDW — эффект, который легко контролировать, просто изменяя режимы термической обработки и дефектности материала.
«Наше исследование приближает нас к созданию квантовых материалов с управляемыми на месте свойствами», — отмечает Пенченг Дай. По словам первого автора, аспиранта Мэйсона Клемма (Mason Klemm), результаты не только объясняют давнюю загадку в поведении материалов Кагоме, но и открывают возможности для создания сенсоров и квантовых устройств на их основе посредством простых технологических манипуляций: «Наши результаты не только объясняют давнюю загадку, но и подчеркивают потенциал материалов Кагоме для создания новых сенсоров и квантовых устройств посредством простого отжига». Дай добавляет: «Это только начало. Теперь мы можем начинать проектировать материалы, которые ведут себя ровно так, как нам нужно».
В работе приняли участие исследователи из Университета Райса, Корнеллского университета, Национального университета Чэн Кун, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Центра нейтронных и мюонных исследований Института Пауля Шеррера. Среди соавторов — Сиджие Сюй, Яофэн Се, Таннер Легвольд, Сяокун Тенг, Бин Гао, Дуглас Нательсон, Мин И (Rice), Саиф Сиддик, Джуди Ча, Мехрдад Кияни (Cornell), Юань-Чун Чанг, Чиен-Лун Хуанг (NCKU), Фэн Е, Хуибо Цао, Йицин Хао, Вэй Тянь, Масааки Мацута (Oak Ridge) и Хубертус Люткенс, Зураб Гугукия (Paul Scherrer Institute).
Методы управления дефектами и термическая настройка позволяют создавать материалы с заданными электронными и магнитными свойствами по требованию. Это открывает путь к разработке новых типов квантовых сенсоров и устройств, а также к решению фундаментальных вопросов физики твёрдого тела.
Изображение носит иллюстративный характер
В центре работы — металл с решёткой Кагоме, железогерманид (FeGe). Эта структура состоит из треугольников, соединённых по углам, что приводит к необычным квантовым эффектам. В FeGe волна зарядовой плотности появляется при температурах ниже 100 Кельвин, но после нагрева до высоких температур и последующего охлаждения исчезает. Однако, если затем провести дополнительное «отпускание» (отжиг) при более низкой температуре, CDW возвращается — и даже становится более выраженной. Такое поведение крайне редко встречается среди квантовых материалов.
Группа учёных под руководством профессора физики и астрономии Пенченга Дая (Pengcheng Dai) провела цикл экспериментов с многократным нагревом и охлаждением образцов FeGe. Использовались методы высокоразрешающей сканирующей электронной микроскопии, нейтронного рассеяния и измерения эффекта Холла — для отслеживания изменений структуры, магнитных свойств и проводимости электронов. Ключевую роль сыграла инженерия дефектов: выяснилось, что при высокотемпературном отжиге германий покидает кристаллическую решётку, образуя равномерно распределённые вакансии (отсутствия атомов). При низкотемпературном отжиге эти вакансии собираются в протяжённые области, что стабилизирует длинноволновую CDW.
Восстановление CDW сопровождается появлением двух различных магнитных порядков, при этом один из них тесно связан с самой волной зарядовой плотности. Изменения затрагивают и электронный транспорт: проводимость в магнитном поле возрастает в 10 раз при возвращении CDW — эффект, который легко контролировать, просто изменяя режимы термической обработки и дефектности материала.
«Наше исследование приближает нас к созданию квантовых материалов с управляемыми на месте свойствами», — отмечает Пенченг Дай. По словам первого автора, аспиранта Мэйсона Клемма (Mason Klemm), результаты не только объясняют давнюю загадку в поведении материалов Кагоме, но и открывают возможности для создания сенсоров и квантовых устройств на их основе посредством простых технологических манипуляций: «Наши результаты не только объясняют давнюю загадку, но и подчеркивают потенциал материалов Кагоме для создания новых сенсоров и квантовых устройств посредством простого отжига». Дай добавляет: «Это только начало. Теперь мы можем начинать проектировать материалы, которые ведут себя ровно так, как нам нужно».
В работе приняли участие исследователи из Университета Райса, Корнеллского университета, Национального университета Чэн Кун, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Центра нейтронных и мюонных исследований Института Пауля Шеррера. Среди соавторов — Сиджие Сюй, Яофэн Се, Таннер Легвольд, Сяокун Тенг, Бин Гао, Дуглас Нательсон, Мин И (Rice), Саиф Сиддик, Джуди Ча, Мехрдад Кияни (Cornell), Юань-Чун Чанг, Чиен-Лун Хуанг (NCKU), Фэн Е, Хуибо Цао, Йицин Хао, Вэй Тянь, Масааки Мацута (Oak Ridge) и Хубертус Люткенс, Зураб Гугукия (Paul Scherrer Institute).
Методы управления дефектами и термическая настройка позволяют создавать материалы с заданными электронными и магнитными свойствами по требованию. Это открывает путь к разработке новых типов квантовых сенсоров и устройств, а также к решению фундаментальных вопросов физики твёрдого тела.
