Теорию для описания скоррелированных электронов подтвердили рассеянием нейтронов
Метод неупругого рассеяния нейтронов помог физикам описать процесс образования когерентного состояния в сильно коррелированных электронных системах и доказать применимость теоретических моделей, которые используются для их описания. Для этого ученые измерили динамическую магнитную восприимчивость в сплаве церия и палладия, сообщается в статье в Science.
Материалы, в которых электроны находятся в сильно коррелированном состоянии и их парное взаимодействие очень сильно влияет на электронную структуру, очень часто обладают необычными магнитными или проводящими свойствами и крайне интересны для различных технологических приложений. Теоретически предсказано, что в зависимости от температуры сильно коррелированные системы могут находиться в двух возможных состояниях: некогерентном состоянии при высоких температурах, для которого характерны сильные флуктуации и низкая подвижность электронов, и когерентном состоянии при более низких температурах, в котором электроны становятся скоррелированы, и материал может проводить ток.
Проблема исследования этих состояний и условий перехода из одного в другое состоит в том, что из-за сильной нелинейности такие системы очень сложно описывать теоретически и не всегда понятно, насколько точно может предсказать поведение электронов в таких системах та или иная модель. Кроме того, из-за большого количества неопределенностей и побочных эффектов при проведении экспериментов по изучению скоррелированных электронов, теоретические предсказания очень тяжело сравнивать с экспериментальными данными.
Группа физиков из России, США и Германии под руководством Рэймонда Осборна (Raymond Osborn) из Аргоннской национальной лаборатории нашла экспериментальный метод, позволяющий получить данные, которые можно сравнить с результатами теоретического расчета. Этим методом оказалось исследование материалов с помощью неупругого рассеяния нейтронов. В таком методе нейтроны с энергией несколько сот килоэлектронвольт сначала поглощаются ядрами атомов, а потом переиспускаются с другой энергией. По характеру взаимодействия нейтронов с веществом можно найти возмущение магнитного и электрического полей внутри кристалла, и, например, измерить его магнитные свойства.
В своей работе ученые с помощью неупругого рассеяния нейтронов измеряли магнитную восприимчивость металлического сплава церия и палладия CePd3, в котором сильно коррелированная электронная система возникает за счет взаимодействия f-электронов церия, расположенных на отдельных локализованных электронных орбиталях, с энергетическими зонами, которые формируют d-электроны решетки палладия.
Данные, полученные экспериментально, ученые сравнили с теоретическими параметрами, посчитанными численно из первых принципов (ab initio), с помощью модели, основанной на теории динамического среднего поля. Эта модель была специально разработана для описания систем, в которых электронные свойства материалов определяются сильными парными взаимодействиями между электронами.
В таком материале при понижении температуры можно наблюдать переход из некогерентного состояния в когерентное, что отражается и на картине магнитной восприимчивости. Ученые сравнили данные по динамической магнитной восприимчивости для различных сечений рассеяния, полученные при разных температурах с помощью эксперимента и теоретической модели, и обнаружили, что данные очень хорошо согласуются друг с другом даже без необходимости вычитания фонового сигнала.
Ученые утверждают, что такое хорошее совпадение данных теории и эксперимента подтверждает, что предложенные экспериментальный и теоретический подходы можно в дальнейшем использовать для исследования даже очень сложных систем, включающих в себя большое количество квантовых частиц. Физики надеются, что полученные ими результаты помогут приблизить появление новых сильно скоррелированных материалов с необычными свойствами.
Материалы с сильно коррелированной системой электронов уже сейчас используют для создания различных устройств. Например, недавно с помощью никалата самария — вещества из класса сильно коррелированных материалов — удалось разработать датчик для слабых колебаний электрического поля в соленой воде.
Александр Дубов
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.