Группа физиков обнаружила новое квантовое состояние в причудливом материале. Исследование, опубликованное в журнале Nature, выявило новые петлевые токи, протекающие по краям октаэдрических ячеек в кристалле Mn 3 Si 2 Te 6, что позволило увеличить электропроводность материала на миллиард процентов. Полученные результаты могут привести к новой парадигме квантовых устройств и сверхпроводников.
Известно, что некоторые материалы меняют свою проводимость в ответ на изменение магнитного поля, это свойство называется магнитосопротивлением. Но в новом исследовании материал делает это в невероятной степени, демонстрируя колоссальное магнитосопротивление.
Материал представляет собой сплав марганца, кремния и теллура, а его решетка имеет форму восьмиугольных ячеек, расположенных в виде сот и сложенных в листы.
Электроны движутся снаружи этих восьмиугольников, но когда нет магнитного поля, они движутся в случайных направлениях, вызывая «пробки». Это эффективно заставляет материал действовать как изолятор.
Но когда приложено магнитное поле, электроны начинают двигаться в заданном направлении, что позволяет им течь быстро и генерировать электрический ток. Это делает сплав очень эффективным проводником — на самом деле, проводимость материала увеличивается на семь порядков. Иными словами, это увеличение на миллиард процентов.
Если смотреть сверху, материал выглядит как набор двумерных сот. Однако со стороны материал состоит из «листов», как слоеный пирог. Внутри каждого «листа» сот электроны могут двигаться по кругу вокруг каждой октаэдрической ячейки. Такие петлевые, круговые потоки внутри материала ответственны за уникальное поведение материала.
Самое интересное, что переключатель работает только в том случае, если магнитное поле приложено перпендикулярно поверхности сплава. Во всех других известных материалах, проявляющих магнитосопротивление, угол магнитного поля не влияет на силу эффекта.
«Это явление бросает вызов всем существующим теоретическим моделям и экспериментальным прецедентам», — сказал Итамар Кимчи, автор исследования.
В других экспериментах команда обнаружила, что переключатель также может срабатывать при подаче электрического тока. Это происходит медленнее, переход занимает несколько секунд или минут.
Ученые считают, что такая настраиваемость и более медленный тип переключения в сочетании с чувствительностью материала к току могут привести к новым применениям и открытиям в квантовых устройствах, управляемых током, в области устройств, которые варьируются от датчиков до компьютеров для безопасной связи.
Но до этого необходимо провести дополнительные исследования, чтобы лучше понять новое квантовое состояние и исследовать другие материалы, которые могут работать таким же образом.
«Заглядывая вперед, мы надеемся понять не только то, что делает этот материал особенным, но и то, какие микроскопические ингредиенты необходимы для родственных материалов, чтобы они могли стать полезными в будущих квантовых технологиях».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.