Исследователи из Окинавского института науки и технологий и Хиросимского университета охладили слоистый материал CeTe₃ почти до абсолютного нуля. Электроны выстроились в полосы. Включили слабое магнитное поле — полосы превратились в клетки. Об этом сообщает «Хайтек» со ссылкой на исследование в журнале Nature Communications.
CeTe₃ состоит из церия и теллура. По структуре он похож на графен: слоистый, и электроны в нём очень подвижны. Но есть важное отличие. Часть электронов сидит на атомах церия и ведёт себя как крошечные магнитики. Другая часть свободно гуляет по слоям теллура и сама собой собирается в упорядоченные фигуры. Учёные давно подозревали, что магнитики на церии влияют на эти фигуры, но никто не видел этого своими глазами.
Авторы работы взяли сканирующий туннельный микроскоп и посмотрели на CeTe₃ при температуре почти минус 273 градуса. Электронный узор оказался полосатым. Затем подали магнитное поле — и полосы превратились в клетки. Один из исследователей, Юита Фудзисава, рассказывает, что сразу побежал к руководителю с криком «Смотри!». Такое переключение попадается крайне редко, да ещё и от слабого поля.
Разгадка в эффекте, который физики называют фрустрацией. Представьте себе шар, который лежит на ровной площадке с несколькими почти одинаковыми лунками. Чуть толкнуть — и он скатывается в соседнюю. В CeTe₃ электроны тоже могут занять несколько почти одинаковых положений, и ни одно не является главным. Магнитное поле даёт лёгкий толчок и перебрасывает систему из одного узора в другой.
Вторая группа учёных просветила CeTe₃ нейтронами и выяснила, как устроен магнетизм внутри материала. Оказалось, что магнитная структура неожиданно сложная. CeTe₃ антиферромагнетик, но спины в нём не просто чередуются «вверх-вниз», а образуют замысловатый повторяющийся рисунок. И период этого рисунка совпал с периодом полосатого электронного узора. Значит, магнитная и электронная структуры жёстко связаны.
Фудзисава говорит, что электронную фрустрацию можно приручить. Если связать её с магнетизмом, то слабое магнитное поле позволит управлять коллективными состояниями электронов. Это новый способ переключать квантовые материалы и потенциальный инструмент для будущих квантовых и спинтронных устройств.
Обложка: электронное упорядочение в CeTe₃ может формировать полосатые или шахматные электронные структуры. Источник: Yuita Fujisawa
