Открытие «скрытых порядков» — закономерностей в материалах, которые невозможно обнаружить с помощью обычных инструментов измерения, — может дать ценную информацию. Это, в свою очередь, может способствовать созданию новых материалов с выгодными свойствами и характеристиками. Скрытые порядки, которые надеются обнаружить физики конденсированных сред, лежат в основе так называемых волн плотности заряда (CDW).
Волны плотности заряда — это периодические волнообразные модуляции электронного заряда внутри кристалла. В редкоземельных теллуридах, соединениях, содержащих теллур и другие редкоземельные элементы, было обнаружено, что CDW иногда приводят к необычным физическим явлениям, которые не наблюдаются при отсутствии этих волнообразных состояний материи.
Исследователи из Бостонского колледжа, Корнельского университета и других институтов недавно наблюдали ферроаксиальный порядок в редкоземельных теллуридах, который, по-видимому, возникает в результате сочетания связанных орбитальных и зарядовых структур.
Их статья, опубликованная в Nature Physics, уникально сочетает экспериментальные инструменты для выявления тонких нарушений симметрии в квантовых материалах.
«Моя группа давно интересуется пониманием того, как обнаружить и понять новые фазы материи», — сказал Кен Берч, старший автор статьи и профессор физики в Бостонском колледже. «Наш подход заключается в том, чтобы сосредоточиться на новых квазичастицах, которые они производят, и изучить их свойства, чтобы уникальным образом идентифицировать и понять их».
Три года назад Берч и его коллеги обнаружили первый аксиальный режим Хиггса (то есть уникальный тип коллективных колебаний электронного порядка материала) в системе CDW. Такие коллективные колебания могут возникать, когда системы переходят в новые фазы материи.
«Режим, который мы наблюдали, также имел «хиральность», и мы занялись поиском причин этого», — сказал Берч. «Эта статья была нашей попыткой понять, какие скрытые симметрии были нарушены и что в материале было причиной».
В рамках своего исследования Берч и его коллеги провели различные оптические эксперименты. В этих экспериментах они заметили, что цвет и поляризация света, выходящего из их образца, отличались от тех, что были при входе света в образец.
«Тщательно измеряя изменения при вращении кристалла, мы смогли выявить нарушенные симметрии», — пояснил Берч. «Мы также изучили специфические цвета, чтобы определить, было ли изменение в основном электронным или атомным. Оптические эксперименты ясно указывают на электронное происхождение. Мы дополнительно проверили это с помощью электронного микроскопа, который показал, что «ферроаксиальный» компонент был чрезвычайно слабым в решётке, что доказывает его электронное происхождение».
После наблюдения ферроаксиального порядка в образце редкоземельного теллурида и определения его электронного происхождения исследователи провели измерения релаксации спина мюонов. Эти измерения позволили им подтвердить, что хиральность (то есть предпочтительная ориентация или направление) в системе не возникла из-за нарушения обращения времени (то есть электроны движутся по кругу в магните).
В целом, это недавнее исследование демонстрирует потенциал исследования скрытых фаз материи в материалах путём изучения симметрий возникающих квазичастиц внутри них. В будущем выводы команды могут помочь улучшить теоретические модели в физике конденсированных сред, а также вдохновить на другие подобные экспериментальные усилия.
«Наша статья подтверждает давнее убеждение, что режимы Хиггса, в частности, могут предоставить однозначные признаки таких фаз и помочь нам понять их происхождение (например, магнитное, решёточное, электронное и т. д.)», — добавил Берч. «Сейчас мы работаем над тем, чтобы понять, как достичь одиночных ферроаксиальных доменов и как этот порядок влияет на другие электронные свойства этих материалов. В частности, их электронный транспорт и нелинейные отклики».