Лю Ли, специалист по материалам, знает, что люди хотят услышать о захватывающих новых приложениях и технологиях, которые могут стать возможными благодаря его открытиям. Однако иногда то, что он находит, слишком необычно или экстремально, чтобы иметь немедленное применение.
Работая с международной командой исследователей, Ли сделал одно из таких необычных открытий, [подробности в Physical Review Letters].
«Я хотел бы сказать, что есть отличное применение, но моя работа всё время отодвигает эту мечту дальше, — сказал Ли, профессор физики в Мичиганском университете. — Но то, что мы нашли, всё ещё действительно странно и увлекательно».
Открытие связано с так называемыми квантовыми осцилляциями. Эти осцилляции наблюдаются в металлах и могут быть представлены как явление, при котором электроны в металле ведут себя как пружины, сказал Ли. Применяя магнитное поле, исследователи могут изменить скорость, с которой эти «пружины» колеблются.
Однако за последние несколько лет исследователи обнаружили те же квантовые осцилляции в изоляторов — неметаллах, которые обычно не проводят тепло или электричество. Это привело к вопросу, который поставил в тупик многих: возникают ли эти осцилляции только на поверхности материала или это поведение исходит из объёма материала?
С точки зрения применения более привлекательным был бы ответ, связанный с поверхностью. Учёные уже изучают материалы, называемые топологическими изоляторами, которые демонстрируют поведение, похожее на металл, на своих поверхностях, сохраняя при этом идентичность изоляторов в объёме, для создания новых электронных, оптических и квантовых технологий.
Но работая в крупнейшей и самой мощной магнитной лаборатории в мире — Национальной лаборатории магнитного поля, Ли и его коллеги предоставили доказательства того, что квантовые осцилляции возникают из объёма.
«Хотел бы я знать, что с этим делать, но на данном этапе мы понятия не имеем, — сказал Ли. — Сейчас у нас есть экспериментальные доказательства замечательного явления, мы записали их, и, надеюсь, в какой-то момент мы поймём, как их использовать».
Команда включала более дюжины сотрудников из шести учреждений в США и Японии. Помимо Ли, в команду входили научный сотрудник Куань-Вен Чен и аспиранты Юань Чжу, Гоксин Жен, Дечен Чжан, Аарон Чан и Кайла Дженкинс из Мичиганского университета.
Ли любит думать об этой работе как об исследовании границ того, что он называет «новой двойственностью». В этом контексте первоначальная или «старая» двойственность возникла с появлением квантовой механики более века назад. В то время учёные показывали, что свет и материя проявляют как корпускулярное, так и волновое поведение. Эта идея оказалась ключевой не только в фундаментальной физике, но и в разработке таких технологий, как солнечные батареи и электронные микроскопы, которые сейчас стали обычным явлением.
Для Ли новая двойственность — это способность материалов вести себя как проводники и изоляторы одновременно. Чтобы исследовать квантовые осцилляции в этом контексте, его команда использовала эксперименты с материалом под названием иттербиевый борид (YbB12) в очень сильном магнитном поле.
«По сути, мы показываем, что эта наивная картина, где мы представляли себе поверхность с хорошей проводимостью, которую можно использовать в электронике, совершенно неверна, — сказал Ли. — Это всё соединение ведёт себя как металл, даже если оно является изолятором. К сожалению, такое странное металлическое поведение проявляется только при магнитном поле в 35 Тесла — это примерно в 35 раз больше, чем в аппарате МРТ».
Так что, хотя применение может быть неочевидным, вопросов о поведении и о том, как исследователи могут извлечь из него пользу в менее экстремальных условиях, меньше не становится.
«Подтверждение того, что осцилляции являются объёмными и внутренними, — это увлекательно, — сказал Чжу. — Мы пока не знаем, какие нейтральные частицы ответственны за это наблюдение. Мы надеемся, что наши выводы побудят к дальнейшим экспериментам и теоретическим исследованиям».
Предоставлено Мичиганским университетом.