Тяжелые фермионы обнаружили в гетероструктурах из дисульфида тантала
Финские физики сообщили об экспериментальном обнаружении тяжелых фермионов в вандерваальсовых гетероструктурах. Для этого они выращивали бислой из различных модификаций дисульфида тантала и исследовали его с помощью туннельного микроскопа. Исследование опубликовано в Nature.
Сопротивление чистых металлов обычно понижается при уменьшении температуры, в ряде случаев опускаясь до нуля в режим сверхпроводимости. Но в первой половине XX века появились свидетельства того, что небольшие примеси в них, наоборот, приводят к росту сопротивления при охлаждении ниже нескольких кельвин. Дзюн Кондо удовлетворительно объяснил этот эффект, предположив, что электроны проводимости вступают во взаимодействие с локальными магнитными моментами примесей.
Зачастую такое взаимодействие можно опосредовать, приписав электронам большую эффективную массу. Тяжелые фермионы стали платформой для исследования разнообразных экзотических эффектов, начиная от нефермиевого поведения квантовой жидкости и заканчивая необычной топологической сверхпроводимостью. До сих пор их наблюдали только в объемных металлических сплавах, содержащих редкоземельные элементы с 4f или 5f электронами. Такие среды уступают по возможностям контроля и манипуляции вандерваальсовским гетероструктурам, для которых характерно слабое взаимодействие между слоями, что открывает дорогу к созданию материалов с комбинацией различных свойств.
Финские физики из Университета Аалто при участии Вильяма Ваньо (Viliam Vaňo) показали, что правильным подбором слоев можно создать условия, при которых в гетероструктурах возникнут тяжелые фермионы. Один слой в этом случае выступает в качестве источника локальных магнитных моментов, принадлежащих состояниям, создаваемым волнами зарядовой плотности, в то время, как другой демонстрирует характерное металлическое поведение.
Для проверки этой идеи исследователи выращивали с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии моно- и бислои 1T- и 1H-модификации дисульфида тантала TaS2 на высокоориентированном пиролитическом графите и исследовали их методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Физики ожидали, что в слое 1T-TaS2 волны зарядовой плотности формируют элементарные ячейки с большим магнитным моментом, который обменно связывается с электронами проводимости в нижележащем слое 1H-TaS2. Это приводит к образованию целой решетки из Кондо-примесей с практически плоской псевдофермионной резонансной модой. Гибридизация между ней и электронной модой приводит к характерному провалу в дисперсионных соотношениях, минимум которых может быть описан с помощью тяжелой эффективной массы. Такая особенность проявила бы себя в спектрах дифференциальной проводимости.
Чтобы увидеть ее, физики снимали спектры в разных точках моно- и бислоев дисульфида тантала. Для бислоя 1T/1H-TaS2 они обнаружили характерный пик в туннельном спектре при нулевом напряжении, который они связали с резонансом Кондо. Ширина и форма пика показала чувствительность к температуре и магнитному полю. Первое хорошо описывалось ранее известной формулой и позволило извлечь температуру Кондо, равную 18 кельвин. Изменение же магнитного поля позволило авторам увидеть предсказанное зеемановское расщепление резонанса, а также более тонкие, неизвестные эффекты, которые сигнализируют о более сложной физике.
В случае же, когда слой 1T-TaS2 находился ниже, чем 1H-TaS2, спектр проводимости, наоборот, демонстрировал провал. Форма этого провала также изменялась с ростом температуры. Физики показали, что такое поведение не может быть описано обычным тепловым уширением. Этот факт, а также целый ряд других экспериментальных закономерностей позволил им отбросить другие гипотезы, которые могли бы также объяснить возникновение провала, подтвердив, таким образом, существование тяжелых фермионов в образце.
Сканирующая туннельная спектроскопия — это мощный метод исследования твердых тел. Мы уже рассказывали, как измерения дифференциальной проводимости помогли разобраться с волновыми функциями квантовых точек и со сверхпроводимостью в двумерном графене.
Марат Хамадеев
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.