Исследовательская группа под руководством физиков Минг И и Эмилии Моросан из Университета Райса разработала новый материал с уникальными электронными свойствами, который может стать основой для более мощных и энергоэффективных электронных устройств.
Материал, известный как металл с узловой линией Крамерса
Материал, известный как металл с узловой линией Крамерса, был получен путём введения небольшого количества индия в слоистый compound на основе тантала и серы. Добавление индия изменяет симметрию кристаллической структуры, что способствует появлению новых физических свойств, связанных с поведением металла с узловой линией Крамерса.
Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41467-025-60020-z) в Nature Communications.
«Наша работа открывает путь к открытию и проектированию новых квантовых материалов с желаемыми свойствами для будущей электроники», — сказал И, доцент кафедры физики и астрономии.
Исследователи обнаружили, что при добавлении крошечных количеств индия в дисульфид тантала (TaS₂) изменяется кристаллическая симметрия материала, что приводит к уникально защищённой схеме, где электроны с разными спинами следуют разными путями в пространстве импульсов, подобно автомобилям, движущимся в противоположных направлениях по шоссе. Это происходит до тех пор, пока два пути не сольются в узловой линии Крамерса.
Этот новый материал также продемонстрировал способность проводить электричество без потерь энергии, проявляя сверхпроводящие свойства. Эта двойная характеристика может способствовать разработке топологических сверхпроводников, которые могут улучшить энергетические системы и вычислительные технологии.
«Проектирование материала, отвечающего строгим условиям симметрии, необходимым для этих специальных свойств, было сложной задачей, но результаты оказались rewarding», — сказала Моросан, профессор физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники, химии и директор Центра квантовых материалов Райса.
Новый материал на основе стронция титаната
Стронций титанат когда-то использовался в качестве заменителя алмаза в ювелирных изделиях, пока в 1970-х годах не появились менее хрупкие альтернативы. Теперь исследователи изучили некоторые из его необычных свойств, которые однажды могут быть полезны в квантовых материалах и микроэлектронике.
В журнале Nature Communications команда [объясняет](https://www.nature.com/articles/s41467-025-59517-4), как они создали чрезвычайно тонкую, гибкую мембрану из стронция титаната и растянули её, включив так называемое ферроэлектрическое состояние. В этом состоянии материал генерирует собственное электрическое поле, чем-то похожее на то, как постоянный магнит генерирует своё магнитное поле.
«Мы применили деформацию, чтобы настроить мембрану в ферроэлектрическое или неферроэлектрическое состояние обратимо и многократно», — сказал Вэй-Шэн Ли, ведущий учёный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и главный исследователь в Институте материаловедения и энергетики Стэнфорда (SIMES), совместном институте SLAC-Stanford. «Это позволило количественно охарактеризовать этот переход в стронции титанате с беспрецедентной детализацией».
Растяжение материала изменяет расстояния между его атомами, что может изменить его физические свойства, включая электрические. В квантовом материале стронции титанате это разделяет отрицательно заряженные ионы кислорода и положительно заряженные ионы титана в материале, создавая электрическое поле и переводя его в ферроэлектрическое состояние.
Способность включать ферроэлектричество в этом материале, а также сверхпроводимость за счёт добавления примесей и его широкое использование в гетероструктурах квантовых материалов делает стронций титанат перспективным для применения в вычислительных устройствах следующего поколения, хранении данных и сверхпроводящих устройствах.
Однако природа этого ферроэлектрического перехода недостаточно изучена, поэтому команда использовала рентгеновские лучи, чтобы отследить расположение ионов и электрическое поле в стронции титанате, когда он растягивался в ферроэлектрическое состояние.
При температурах, близких к комнатной, переход в ферроэлектрическое состояние в стронции титанате демонстрирует тепловые флуктуации, признак классического фазового перехода. Но при криогенных температурах, на пару сотен градусов ниже нуля по Фаренгейту, тепловые флуктуации становятся незначительными, что указывает на переход в квантовую территорию.
Этот квантовый переход может быть причиной того, что стронций титанат не становится ферроэлектрическим при криогенных температурах без растяжения. Когда система переходит в квантовый режим, возникает беспорядочное переключение между энергетически сходными состояниями, известное как квантовые флуктуации.
Эти квантовые колебания в электронной структуре предотвращают перестройку стронция титаната в ферроэлектрический порядок. Растяжение материала подавляет квантовые флуктуации, позволяя материалу стать ферроэлектрическим, но иным образом, чем при классическом фазовом переходе.
«Наши результаты намекают на то, что эти квантовые флуктуации играют роль при более низких температурах, когда квантовый эффект преобладает над классическим в переходе», — сказал Ли.
Далее исследователи будут использовать этот экспериментальный протокол для изучения напряжённых переходов в других квантовых материалах. Более глубокое понимание этого перехода может помочь адаптировать стронций титанат и другие квантовые материалы для различных применений, таких как микроэлектромеханические переключатели.
[Предоставлено](https://phys.org/partners/slac-national-accelerator-laboratory/) Национальной ускорительной лабораторией SLAC.