Bir stəkan buzlu su, eyni anda mövcud olan iki fazanın tanış bir nümunəsidir. Eyni maddə həm maye su, həm də bərk buz kimi görünə bilər. Müəyyən kvant materiallarında fərqli fazalar da birlikdə mövcud ola bilər, baxmayaraq ki, əsas davranış daha mürəkkəbdir.

MIT fizikləri eyni kvant materialı daxilində iki fərqli elektron təşkilatlanma formasının necə yarana biləcəyi ilə bağlı yeni detallar aşkar ediblər.

“Nature Physics” jurnalında dərc olunan tapıntılar , alimlərin superkeçiricilik, maqnetizm və digər elektron fazaları nümayiş etdirən materiallar haqqında anlayışlarını artıra bilər. Bu fazaların necə yarandığını və qarşılıqlı təsirini öyrənmək nəticədə tədqiqatçılara elektron xüsusiyyətlər üzərində daha çox nəzarət əldə etməyə və daha güclü kvant cihazları hazırlamağa kömək edə bilər.

“İnsanlar inanırlar ki, silikonu əvəz etməyin təməl daşı bir neçə birgə mövcud olan fazaya malik kvant materiallarında yerləşir”, – tədqiqata MIT aspirantı kimi rəhbərlik edən və hazırda Stanford Universitetində dosent vəzifəsində çalışan həmmüəllif Alfred Zong deyir. “Təcrübəmiz bu çoxsaylı fazaları öyrənmək üçün çox səliqəli bir yol təqdim edir.”

Elektronların Atom Dama Lövhəsi

MIT-in Donner fizika professoru Nuh Gedikin rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar qeyri-adi elektron davranışa malik nadir torpaq materialı olan erbium tritelluridini araşdırdılar.

Adi şəraitdə elektronlar erbium tritellurid boyunca nisbətən bərabər paylanır. Lakin material müəyyən temperaturlara qədər soyudulduqda, elektronlar özlərini “yük sıxlığı dalğası” (CDW) fazası kimi tanınan dalğa formalı bir düzülüşdə təşkil etməyə başlayırlar.

Materialın daha da soyudulması birinciyə perpendikulyar olan ikinci dalğa nümunəsi yaradır. Birlikdə iki elektron faza atom miqyaslı dama lövhəsinə bənzər bir şey əmələ gətirir.

Gedik və həmkarları bu iki fazanın davranışını ayıra və hər birinin necə inkişaf etdiyini müşahidə edə bildilər. Birinci faza, maye suyun tədricən buxar halına gəlməsi kimi, material üzərində tədricən ortaya çıxdı. Bu, neçə elektron faza keçidinin baş verdiyinə dair ənənəvi mənzərəyə uyğun gəlir.

İkinci mərhələ çox fərqli şəkildə davam etdi. Material boyunca hamar görünmək əvəzinə, xaricə genişlənən təcrid olunmuş bölgələrdə başladı, bu da maye suda buz kristallarının əmələ gəlməsinə bənzəyir.

Gedik deyir ki, “Bu ikinci fazanın yaranmasından məsul olan mexanizm uzun müddətdir müzakirə olunur və yanaşmamız kvant materiallarında faza keçidlərinin arxasındakı gizli fizikanı aşkar etmək üçün güclü yeni bir yol təqdim edir”.

Tədqiqatın digər MIT həmmüəllifləri ilk müəlliflər Yifan Su PhD ’24 və keçmiş postdoktor Bai-Qing Lv; Dongsung Choi SM ’17, PhD ’24; və keçmiş postdoktorlar Doron Azoury və Masataka Mogi; eləcə də bir çox digər qurumlardan olan əməkdaşlardır.

Şarj Sıxlığı Dalğaları Necə Formalaşır

Elektronlar kimi elektrik yükləri öz-özünə təkrarlanan dalğa nümunəsinə çevrildikdə yük sıxlığı dalğası yaranır. Təpələrə uyğun bölgələrdə daha çox elektron, çökəkliklərdə isə daha az elektron olur. Bəzi materiallarda bu koordinasiyalı vəziyyət yalnız son dərəcə aşağı temperaturlarda özünü göstərir.

Fiziklər onilliklərdir ki, yük sıxlığı dalğalarını araşdırırlar. Daha yaxınlarda tədqiqatçılar onları elektronların bir-biri ilə cütləşdiyi və sürtünmə olmadan bir materialdan keçdiyi maqnetizm və superkeçiricilik də daxil olmaqla daha mürəkkəb kollektiv elektron davranış formalarını dəstəkləyən materiallarda aşkar ediblər.

“Superkeçiricilik kimi, yük sıxlığı dalğaları da elektronların müəyyən yollarla bir araya gəldiyi kollektiv bir fenomendir”, – deyə aparıcı müəllif Yifan Su izah edir. “CDW-lərin gücü ondadır ki, onlar superkeçiriciliklə müqayisədə daha sadə bir maddə formasıdır. Onlar fundamental anlayış üçün bir meydança təqdim edirlər.”

Tədqiqatçılar eyni anda iki CDW fazasının mövcud olduğu bir material öyrənmək istəyirdilər. İki dalğanın necə göründüyünü və birlikdə mövcud olduğunu anlamaq, superkeçiricilik və digər qeyri-adi elektron vəziyyətlərdə iştirak edən daha mürəkkəb faza keçidləri haqqında ipucları verə bilər.

“Fizikanın ən böyük suallarından biri bəzi materialların niyə birdən çox fazaya sahib olduğu, digərlərinin isə olmadığıdır. Və birdən çox faza mövcud olduqda, onlar necə qarşılıqlı təsir göstərirlər? Onlar bir-birini gücləndirirmi, rəqabət aparırmı, yoxsa müstəqil şəkildə birlikdə yaşayırlarmı?” Gedik deyir. “Bu, daha mürəkkəb materialları anlamağımız üçün bir nümunə kimidir.”

Kvant Nizamını Pozmaq Üçün Lazerlərdən İstifadə

Alimlər artıq bilirdilər ki, erbium tritellurid iki fərqli yük sıxlığı dalğasını dəstəkləyə bilər. Nadir torpaq materialı laboratoriyada atom baxımından nazik təbəqələr şəklində istehsal edilə bilər ki, bu da tədqiqatçılara onun qeyri-adi kvant miqyaslı xüsusiyyətlərini araşdırmağa imkan verir.

Əvvəlki təcrübələr göstərdi ki, ilk yük sıxlığı dalğası erbium tritellurid -8 dərəcə Selsiyə qədər soyudulduqda görünür. Bu “dominant” dalğa materialdan bir istiqamətdə uzanır.

Temperatur daha da -113 dərəcə Selsiyə düşdükdə, birincisinə düz bucaq altında ikinci bir “subdominant” yük sıxlığı dalğası görünür. İki naxış birlikdə mövcud olan elektron fazaların dama taxtası düzülüşünü yaradır.

Yeni tədqiqat üçün Gedikin komandası hər bir fazanın necə əmələ gəldiyini dəqiq müəyyən etmək istəyirdi.

Tədqiqatçılar Stanforddakı əməkdaşları tərəfindən yaradılan kiçik, atom baxımından nazik erbium tritellurid nümunələri əldə etdilər. Gedikin laboratoriyasında nümunələri təxminən -230 dərəcə Selsiyə qədər soyutdular ki, bu da hər iki yük sıxlığı dalğasının eyni vaxtda dama taxtası naxışında mövcud olması üçün kifayət qədər soyuqdur.

Daha sonra onlar həmin elektron sxemi pozdular və ya məhv etdilər və iki dalğanın necə geri qayıtdığını izlədilər.

Təcrübə diqqətlə vaxtlanmış iki lazer impulsuna əsaslanırdı.

Gedik deyir ki, “Sistemi necə “silkələyirik”, sonra isə “dinləyirik”.

İlk lazer impulsu elektron dama lövhəsini parçalayan “silkələmə” rolunu oynadı. İmpuls intensivliyini dəyişdirməklə tədqiqatçılar yük sıxlığı dalğalarını nə qədər güclü şəkildə pozduqlarını idarə edə bildilər.

Yüksək enerjili fotonları ehtiva edən ikinci bir impuls daha sonra materialdan elektronları çıxardı. Tədqiqatçılar bu impulsu birincisindən sonra müxtəlif intervallarla tətbiq etdilər və xaric edilmiş elektronların enerjisini və impulsunu ölçdülər. Bu ölçmələr elektron fazalarının zamanla necə bərpa olunduğunu göstərən bir sıra görüntülər təqdim etdi.

“Bu fazaların məhv olduğunu görürük və sonra kifayət qədər gözləsək, onlar geri qayıdırlar”, Gedik izah edir. “Və onları necə vurduğunuzdan asılı olaraq, iki faza fərqli reaksiya verir.”

Yenidənqurmanın İki Çox Fərqli Yolu

Tədqiqatçıların materialı əvvəlcə nə qədər güclü şəkildə pozmasından asılı olmayaraq, dominant yük sıxlığı dalğası tədricən və bərabər şəkildə geri döndü.

Bu hamar bərpa dərslikdə “ikinci dərəcəli” faza keçidi hesab olunur. Bu, maqnitin temperaturu artdıqca maqnitliyini tədricən itirməsinə bənzəyir.

İkinci yük sıxlığı dalğası daha böyük sürprizə səbəb oldu.

Subdominant faza bərabər şəkildə qayıtmaq əvəzinə, dağınıq ciblərdə əmələ gəlməyə başladı. Daha sonra həmin bölgələr, maye suyun içində böyüyən buz kristalları kimi, material boyunca genişləndi.

Bu davranış daha az yayılmış “birinci dərəcəli” keçidə uyğundur və tədqiqatçıların gözlədiyi kimi deyildi. Müşahidələr komandaya subdominant CDW fazasının ortaya çıxmasından məsul olan uzun müddətdir müzakirə olunan mexanizmi müəyyən etməyə imkan verdi.

Tapıntılar erbium tritelluriddən daha çox təsirə malik ola bilər. Daha mürəkkəb kvant materialları eyni anda bir neçə elektron faza ehtiva edə bilər və alimlər bu fazaların qarşılıqlı təsirinin onların ən qeyri-adi xüsusiyyətlərindən bəzilərinə səbəb ola biləcəyindən şübhələnirlər.

Gedik deyir: “Yüksək temperaturlu ifratkeçiricilər kimi daha mürəkkəb sistemlərdə birdən çox fazanın olduğunu görürsünüz – maqnetizm, ifratkeçiricilik, yük sıxlığı dalğaları və hamısı birlikdə mövcuddur. Nəzəriyyələrdən biri budur ki, onların bir-biri ilə qarşılıqlı təsirinin əsas səbəbi onların ekzotik xüsusiyyətləridir. Burada öyrəndiyimiz dərslər daha mürəkkəb materiallara tətbiq oluna bilər.”

Tədqiqat ABŞ Energetika Nazirliyi, ABŞ Milli Elm Fondu və Gordon və Betty Moore Fondunun EPiQS Təşəbbüsü qrantı tərəfindən dəstəklənib.