Физики разгадали тайну переключения петлевого тока в металлах кагоме
Название «кагоме» происходит от японского слова, означающего «глаза корзины» — так называется традиционный узора плетения из бамбука, который выглядит как сложная сетка из треугольников. В металлах кагоме атомы расположены именно таким образом, создавая уникальную структуру, которая заставляет электроны вести себя крайне необычно.
В обычных металлах электроны движутся относительно свободно, но в кагоме-металлах уникальная геометрия кристаллической решетки создает так называемую «геометрическую фрустрацию». Электроны не могут организоваться в простые упорядоченные структуры и вынуждены формировать сложные квантовые состояния, включая крошечные петлевые токи внутри материала.
«Каждый раз, когда мы наблюдали магнитное переключение, мы знали, что происходит нечто экстраординарное, но не могли объяснить почему», — вспоминает соавтор работы, профессор Хироши Контани из Университета Нагоя.
Теперь ученые обнаружили, что при охлаждении до −190°C в этих металлах естественным образом возникают квантовые состояния, где электроны формируют циркулирующие токи и создают волнообразные узоры по всему материалу. Когда физики воздействуют на такой металл слабым магнитным полем, направление этих токов меняется на противоположное, что приводит к изменению предпочтительного направления протекания тока в металле — диодному эффекту.
Но самое удивительное открытие заключается в том, что квантовые геометрические эффекты усиливают это переключение примерно в 100 раз. «Металлы кагоме делают квантовые эффекты намного сильнее, чем в обычных металлах», — объясняет Контани. «Комбинация их кристаллической структуры и поведения электронов позволяет им одновременно нарушать определенные фундаментальные правила физики — явление, известное как спонтанное нарушение симметрии. Это крайне редко встречается в природе и объясняет, почему эффект настолько мощный».
Эта загадка оставалась неразгаданной с момента открытия металлов кагоме около 2020 года. Хотя ученые быстро обнаружили таинственный эффект электрического переключения в экспериментах, они не могли объяснить механизм его работы. Квантовые взаимодействия оказались настолько сложными, что потребовалось несколько лет для разработки теории, способной их описать.
Открытие может привести к созданию принципиально новых электронных устройств, которыми смогут управлять простые магниты, например, магнитной памяти нового поколения или сверхчувствительных сенсоров. Открытие японских ученых обещает стать основой для разработки технологий, основанных на квантовом управлении электрическими свойствами материалов.
Ранее физики впервые зафиксировали в металле кагоме поведение так называемых «тяжелых фермионов».
