Jak wyjaśniają, pod jego wpływem elektrony przechodzą z uporządkowanego układu przypominającego równoległe pasy do struktury przypominającej szachownicę. To z kolei zapewnia dowód, iż magnetyzm może skutecznie kontrolować złożone stany elektronowe, które dotąd pozostawały trudne do zrozumienia. Badania w tej sprawie stanowią dzieło naukowców z Okinawa Institute of Science and Technology oraz Uniwersytetu w Hiroszimie.
Materiały kwantowe od lat fascynują fizyków, ponieważ elektrony zachowują się w nich zupełnie inaczej niż w metalach czy półprzewodnikach wykorzystywanych na co dzień. W takich substancjach elektrony – zamiast działać niezależnie od siebie – tworzą złożone układy kolektywne, które mogą odpowiadać za niezwykłe właściwości, takie jak nadprzewodnictwo, nietypowy magnetyzm czy egzotyczne stany skupienia materii. Zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie tych stanów jest jednym z najważniejszych wyzwań współczesnej fizyki.
Czytaj też: Kamień z Chile podważa prawa fizyki. Natura tworzy układy, o jakich fizycy nawet nie śnili
Przedmiotem badań był materiał oznaczony symbolem CeTe₃, zbudowany z atomów ceru i telluru. Pod pewnymi względami przypomina on grafen, ponieważ tworzy dwuwymiarowe warstwowe struktury umożliwiające bardzo swobodny ruch elektronów. W przeciwieństwie do grafenu część elektronów pozostaje jednak związana z atomami ceru, podczas gdy elektrony poruszające się pomiędzy atomami telluru spontanicznie organizują się w uporządkowane wzory. To właśnie ta wyjątkowa kombinacja ruchliwych elektronów i lokalnych momentów magnetycznych sprawia, że CeTe₃ jest niezwykle interesującym obiektem badań.
Aby przyjrzeć się zachowaniu elektronów z niespotykaną dotąd dokładnością, badacze wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy. Takowy pozwala obrazować rozkład elektronów z rozdzielczością pojedynczych atomów. Po schłodzeniu próbki niemal do zera absolutnego naukowcy zaobserwowali charakterystyczny wzór przypominający równoległe pasy. Następnie zastosowali niewielkie pole magnetyczne. Ku ich zaskoczeniu układ elektronów całkowicie zmienił swoją strukturę, tworząc regularny wzór przypominający szachownicę.
Tak wyraźne przełączanie pomiędzy dwoma konkurującymi stanami elektronowymi pod wpływem bardzo słabego pola magnetycznego należy do niezwykle rzadkich zjawisk. Jeszcze bardziej zaskakujące było to, iż oba stany okazały się niemal równie stabilne, a niewielki impuls magnetyczny wystarczał do zmiany całej organizacji elektronów.
Wyjaśnienia tego zachowania naukowcy upatrują w zjawisku określanym przez fizyków mianem frustracji elektronowej. Wbrew nazwie nie chodzi tu o emocje, lecz o sytuację, w której materiał może przyjąć kilka niemal równorzędnych konfiguracji energetycznych. Żadna z nich nie jest wyraźnie korzystniejsza od pozostałych, dlatego nawet bardzo niewielkie zaburzenie może zdecydować, który stan zostanie wybrany.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Badacze porównują ten mechanizm do kulki znajdującej się na powierzchni złożonej z kilku niemal identycznych dolin. Wystarczy lekko przechylić całą konstrukcję, aby kulka potoczyła się do innej doliny. W przypadku CeTe₃ rolę takiego delikatnego przechylenia odgrywa właśnie pole magnetyczne, które przesuwa równowagę pomiędzy konkurującymi konfiguracjami elektronów i powoduje przejście z układu pasmowego do szachownicowego.
Z biegiem czasu okazało się, że CeTe₃ wykazuje antyferromagnetyzm, jednak jego struktura magnetyczna jest znacznie bardziej skomplikowana niż w typowych materiałach tego rodzaju. W klasycznych antyferromagnetykach sąsiednie momenty magnetyczne są skierowane przeciwnie do siebie. W badanym materiale naukowcy odkryli znacznie bardziej złożony, okresowo powtarzający się układ spinów, który pojawia się w temperaturach bardzo bliskich zera absolutnego. W ogólnym rozrachunku widzimy, iż frustracja elektronowa nie musi być jedynie przeszkodą utrudniającą zrozumienie materiałów kwantowych. Wręcz przeciwnie: może stać się użytecznym narzędziem do kontrolowania ich właściwości.
Źródło: Nature Communications
