Физики обнаружили новые признаки нарушения симметрии времени в загадочном кагомном металле
Физики получили новые свидетельства существования загадочного квантового состояния в необычном классе материалов, известном как кагомные металлы. Результаты исследования могут помочь разрешить давнюю научную дискуссию о том, каким образом подобные системы переходят в состояние сверхпроводимости.
В физике нарушение симметрии означает процесс, при котором первоначальное симметричное состояние системы переходит из более хаотичного состояния в более упорядоченное, однако при этом теряет часть своей исходной симметрии. Новая работа показала, что один из фундаментальных видов симметрии природы — симметрия относительно обращения времени — может нарушаться при значительно более высоких температурах, чем считалось ранее.
Международная группа исследователей под руководством ученых из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) сосредоточила внимание на кагомных металлах — разновидности ферромагнитных квантовых материалов с необычными свойствами. В качестве объекта исследования был выбран кагомный металл цезий-ванадий-антимонид (CsV₃Sb₅), новый материал, впервые обнаруженный в 2021 году исследователями из Национального квантового центра NSF при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
Во время экспериментов ученые обнаружили, что CsV₃Sb₅, рассматриваемый как перспективный кандидат на роль сверхпроводника, демонстрирует признаки нарушения симметрии обращения времени при температурах существенно выше тех, которые ранее связывались с этим явлением. Это наблюдение имеет особое значение, поскольку может указывать на существование трудноуловимого феномена, известного как порядок петлевых токов. Такое состояние предполагает, что электроны внутри материала циркулируют по устойчивым микроскопическим замкнутым контурам.
Для получения результатов исследователи использовали современный метод фотоэмиссионной спектроскопии. Технология позволила выявить тонкие различия в реакции электронов на циркулярно поляризованный свет, при котором вектор электрического поля вращается по окружности по мере распространения световой волны, совершая полный оборот на каждую длину волны.
Проведенные измерения выявили характерный сигнал, согласующийся с состоянием, в котором нарушается симметрия обращения времени. По словам авторов работы, полученные данные могут представлять собой наиболее убедительное на сегодняшний день экспериментальное свидетельство существования экзотического квантового состояния вещества, называемого порядком петлевых токов. В этом состоянии электроны самопроизвольно формируют микроскопические волнообразные структуры. Изучение такого порядка в кагомных металлах продолжается уже несколько лет, и новые результаты предоставляют наиболее весомые доказательства его существования.
Значимость открытия связана и с тем, что оно помогает лучше понять сложную последовательность фазовых переходов, происходящих в материале CsV₃Sb₅. Согласно выводам исследователей, порядок петлевых токов возникает на начальном этапе снижения температуры. Затем формируется так называемая волна зарядовой плотности — периодическая перестройка распределения электронов в материале. После этого система переходит в сверхпроводящее состояние, при котором электрическое сопротивление полностью исчезает.
Авторы отмечают, что их работа открывает новые возможности для изучения поведения сильно коррелированных квантовых материалов и механизмов, отвечающих за формирование экзотических состояний вещества. Полученные результаты углубляют понимание фазовой структуры кагомных металлов и подчеркивают их сходство с другими коррелированными системами, демонстрирующими аналогичную последовательность фазовых переходов.
В перспективе подобные исследования могут приблизить ученых к одной из главных целей современной физики конденсированного состояния — созданию высокотемпературной сверхпроводимости. Речь идет о материалах, способных проводить электрический ток без сопротивления при температурах выше 30 Кельвинов (−243 °C). Достижение этой цели позволило бы значительно сократить затраты на охлаждение сверхпроводящих систем и способствовало бы широкому коммерческому внедрению высокомощных технологий, основанных на сверхпроводимости.
Исследование в журнале Nature Physics.