Физики из Японии изучили фазовые переходы, которые происходят при охлаждении электронной жидкости в кристалле с двумерными проводящими слоями. Оказалось, что при кристаллизации и стекловании самого вещества подобные превращения происходят и с электронной жидкостью внутри материала. Результаты исследования опубликованы в Science. Кратко о работе сообщает пресс-релиз Университета Тохоку.

Жидкость при охлаждении ниже определенной температуры может перейти или в кристаллическое состояние, или в аморфное стеклообразное. Стекло является своего рода промежуточной фазой между жидкостью и твердым кристаллом, в нем есть отдельные небольшие участки кристаллической структуры, но дальнего порядка нет. Переход в такое состояние обычно происходит при охлаждении с определенной скоростью и чаще его можно наблюдать в материалах, для которых характерно образование связных полимерных структур, в частности, в органических полимерах или оксиде кремния.

Аналогичным образом можно рассмотреть систему взаимодействующих электронов в твердом проводящем веществе. Если вещество является проводником, то электроны в нем не взаимодействуют, образуя электронный газ. При увеличении концентрации электронов и ограничении их подвижности, они начинают взаимодействовать, образуя электронную жидкость. В определенных условиях кристаллическая структура и внешние условия могут настолько ограничить подвижность электронов, что они теряют способность переходить в наиболее выгодное состояние, и тогда даже в проводящих слоях возможно образование упорядоченных структур, в которых области повышенной концентрации электронов занимают узлы периодических решеток. Одним из способов образования подобных упорядоченных структур является создание двумерных проводящих слоев.

Группа ученых из Японии решила проверить, как будет меняться структура упорядоченных электронов в двумерных проводящих слоях при кристаллизации и стекловании материала. Для этого физики исследовали слоистый проводящий органический материал, в котором слои органических катионов чередуются с неорганическими анионами. Известно, что в проводящих слоях таких материалов могут образовываться упорядоченные электронные структуры, а для самого этого материала характерно наличие устойчивых стеклообразной и кристаллической фаз. Если жидкую фазу охлаждать достаточно медленно, то происходит образование обычного кристалла с выраженной слоистой структурой. При быстром охлаждении образуется аморфная стеклообразная фаза.

Стеклование металла. Wikimedia commons

Чтобы выяснить, что при подобных фазовых переходах в самом материале происходит с носителями заряда внутри него, ученые изучили образованные при охлаждении фазы упорядоченных зарядовых структур с помощью рентгеновского рассеяния, оптической проводимости и спектроскопии шума сопротивления.

Оказалось, что свойства электронов коррелируют со свойствами кристаллической решетки. При медленном охлаждении из электронной жидкости с равномерным рапределением зарядов образуется строго упорядоченная структура областей повышенной концентрации электронов, а при быстром — они формируют стеклообразную фазу, в которой области повышенной электронной плотности взаимодействуют с ближайшими соседями, а на большем масштабе они обладают устойчивой аморфной структурой.

Сверху изображены возможные конфигурации упорядоченных структур зарядовой плотности (фиолетовыми кругами показаны области повышенной концентрации заряда). Снизу — схематическое изображение зависимости энергии системы от ее конфигурации. Глобальный минимум соответствует диагональной конфигурации. S. Sasaki et al./ Science, 2017

Для упорядоченных структур электронов существует несколько наиболее устойчивых конфигураций. Устойчивыми оказываются все структуры, в которых области повышенной электронной плотности выстраиваются по узлам кристаллической решетки вдоль определенных линий. При этом наиболее выгодной конфигурацией является такая, в которой они выстраиваются по диагонали.

Проведя исследования изменения доли упорядоченных областей в стеклообразной фазе с течением времени при ее кристаллизации, физики подтвердили, что все кинетические зависимости для них аналогичны тем, что управляют кристаллизацией самого материала. Ученые предполагают, что благодаря возможности изучения зарядовой плотности предложенный ими состав органических слоистых материалов с электронной проводимостью позволит в будущем более детально изучить процессы, происходящие при стекловании и кристаллизации органических и гибридных материалов.

Обычно для описания взаимодействия электронов внутри электронной жидкости используют модель Ферми-жидкости. Однако в недавнем исследовании ученые показали, что в определенных условиях, например, в одномерном случае, традиционной подход не применим, и приходится использовать более сложные модели, например, модель ультрахолодного Бозе-конденсата.

Автор: Александр Дубов