Специалисты Института Макса Планка в Гамбурге работали с кристаллами структуры кагоме — свое название они получили в честь традиционного японского узора плетения бамбуковых корзин, где треугольники и шестиугольники образуют замысловатый рисунок. В металле CsV₃Sb₅ с такой структурой ученые вырезали крошечные столбики размером в несколько микрометров и подвергли их воздействию магнитного поля.
К удивлению физиков, электроны в этом материале вели себя не как обычно. В обычных металлах электроны движутся хаотично, словно шумная толпа, постоянно сталкиваясь друг с другом. Но здесь они синхронизировались, двигаясь согласованно, как волны, накладывающиеся друг на друга. Такое квантовое явление, называемое когерентностью, обычно наблюдается только в экзотических состояниях, например, при сверхпроводимости, когда электроны объединяются в пары и текут без сопротивления.
«Это явление указывает на возникновение когерентного многочастичного состояния», — объясняет Чуньюй Го, ведущий автор исследования.
Самое поразительное открытие заключалось в том, что поведение электронов зависело от геометрии кристалла. В прямоугольных образцах картина колебаний менялась под прямыми углами, а в параллелограммах — под углами 60° и 120°, точно соответствуя их форме. «Это как будто электроны знают, находятся ли они в прямоугольнике или параллелограмме. Они “поют” в гармонии — и песня меняется в зависимости от комнаты, в которой они находятся», — поясняет директор института Филип Молл.
Открытие может стать основой для принципиально нового способа управления квантовыми состояниями — через изменение геометрии материала. Подобно тому, как хор звучит по-разному в соборе и концертном зале, электроны в кристаллах разной формы создают разные «мелодии». «Металлы кагоме дают нам представление о когерентности, которая одновременно устойчива и чувствительна к форме. Это новый принцип дизайна, которого мы не ожидали», — говорит Молл.
Пока это явление можно наблюдать только в лабораторных условиях, но перспективы огромны. «Как только когерентностью можно будет управлять, а не просто обнаруживать ее, граница квантовых материалов может сместиться от химии к архитектуре. Это открывает новый путь проектирования квантовой функциональности для будущей электроники путем изменения геометрии материала», — заключает Го.
Ранее ученые представили принципиально новый источник света: лазер без зеркал.
