Физици разкриха тайната на електроните, която десетилетия наред убягваше на изследователите

Това, което в продължение на десетилетия се считаше за масов пренос на заряд между слоевете, се оказа оптична илюзия, която се преодолява чрез нов изчислителен подход.

Физици и инженери от университета „Корнел“ показаха, че в някои сложни квантови материали електроните по принцип не „прескачат“ между слоевете, а остават там, където са били първоначално. За целта екипът е разработил нов изчислителен метод, който може буквално да проследи къде отиват и къде не електроните в многослойните кристали.

Въпросните материали са т.нар. несъизмерими или misfit материали. При тях кристалните решетки на съседните слоеве не съвпадат по периодичност: може да си представим конструкция от кубчета LEGO, при която единият слой е подреден върху квадратна решетка, а другият – върху шестоъгълна решетка. Отвън материалът изглежда като едно цяло, но на атомно ниво слоевете сякаш не могат да се свържат идеално. Тези структури се смятат за обещаващо място за търсене на необичайни квантови ефекти, включително свръхпроводимост.

Дълго време се смяташе, че силните размествания на енергийните зони, които се наблюдават в такива несъвместими системи, означават едно: значителна част от електроните физически преминават от един слой в друг. Изчисленията на изследователите от Корнел обаче показват друга картина. Те откриха, че химическите връзки на границата между несъответстващите слоеве карат електроните във всеки слой да се преразпределят и да увеличават броя на високоенергийните електрони, въпреки че между слоевете реално се движат сравнително малко частици.

„Това е важен клас материали, който сега се опитваме да разберем“,

казва ръководителят на статията, професорът по физика Томас Ариас.

Той посочва, че неправилните структури са се превърнали в идеален полигон за изпитване на новия подход към изчисленията. Методът ползва идеята, че електроните в твърдо тяло реагират предимно на непосредственото си обкръжение. На микроскопично ниво електронът може да се опише като вълна, която се разпространява през кристала, но в една плътна електронна система много вълни се анулират взаимно, подобно на вълничките по повърхността на плътно запълнен басейн. В резултат на това местната среда, а не целият кристал, става централна за поведението на даден електрон.

Аспирантът Дрейк Неджелски прилага нов изчислителен подход за моделиране на несъизмеримите слоести системи, в които се редуват слоеве от редкоземна сол с квадратна симетрия и материали с хексагонална решетка.

Експериментите показаха, че броят на високоенергийните електрони се увеличава в хексагоналния слой и това обикновено се тълкуваше като знак за голям пренос на заряд от съседния слой. Но прецизните квантовомеханични изчисления на Неджелски дадоха различен резултат: реалният пренос беше около шест пъти по-малък, отколкото следваше от традиционните интерпретации. Повечето електрони просто „пренареждали“ разпределението си във всеки слой, почти без да напускат „родната“ равнина.

За изготвянето на изчисленията важна роля изиграха микроскопските изображения на образците. Групата на Лена Куркутис извърши високопрецизно сондиране на структурата на несъответстващите материали, което позволи надеждно да се определи положението на атомите и да се ускорят изчисленията. Самият метод, наречен MINT-Sandwich, принадлежи към класа на ab initio подходите и според Ариас открива достъп до електронните структури на материали, които преди това са били считани за твърде сложни за преки изчисления без изкуствени опростявания и натоварвания.

Изследователите подчертават, че подобен „изчислителен експеримент“ предоставя информация, която е толкова добра, колкото и добре контролираните лабораторни измервания. Всъщност той се превръща в трети независим източник на данни наред с традиционната теория и физическия експеримент. Това е важно не само за проверка на предишните идеи за поведението на електроните, но и за проектиране на нови квантови материали по поръчка, например структури с необичайни електронни свойства или устройства с висока ефективност на електрическото охлаждане.