Российские учёные нашли способ изучать коллективное поведение электронов в ультратонких материалах с помощью света

Группа из Российского квантового центра, Университета ИТМО и МФТИ показала, что коллективное поведение электронов в ультратонком материале можно наблюдать с помощью света. Учёные представили работу, посвященную изучению состояний вещества, в которых частицы ведут себя как единая система. Как сообщили информационной службе Хабра в пресс‑службе Российского Квантового Центра (РКЦ), такие эффекты лежат в основе сверхпроводимости, необычного магнетизма и новых электронных состояний. Понимание этих процессов нужно для разработки новых материалов, квантовых устройств и более эффективной электроники. Результаты опубликованы в журнале Physical Review B. Исследование выполнено в рамках дорожной карты по развитию квантовых.

Новая работа группы российских учёных связана с изучением состояний вещества, в которых частицы ведут себя как единое целое. Такие эффекты лежат в основе сверхпроводимости, магнитных свойств и новых электронных состояний. Их понимание нужно для разработки материалов и электронных устройств.

В обычных условиях электроны в твёрдом теле движутся почти свободно. При сильном охлаждении и низкой плотности они начинают сильнее отталкиваться друг от друга. В результате они могут выстраиваться в регулярную структуру. Это состояние называют вигнеровским кристаллом.

Учёные наблюдали такое состояние в монослое диселенида вольфрама. Это двумерный полупроводник толщиной около нанометра. Как отмечают в РКЦ, главное отличие новой работы — способ наблюдения. Обычно такие состояния изучают через электрические измерения или в сильных магнитных полях. В этом случае признаки электронного кристалла зафиксированы по отклику материала на свет без внешнего магнитного поля.

Кристалл формировался при охлаждении ниже 26 K (примерно −247 °C) и при точной настройке плотности электронов. В Университете ИТМО разработали модель и экспериментальный протокол, которые позволяют определять период кристалла по спектрам отражения.

Метод позволяет наблюдать состояние электронов почти без контакта с образцом. Не требуется большое число электрических контактов и сильные магнитные поля. Это упрощает исследование систем с сильным взаимодействием частиц.

Руководитель научной группы Российского квантового центра и МФТИ, один из авторов работы сообщил Александр Чернов, что исследователи впервые показали возможность прямого наблюдения такого состояния в монослое диселенида вольфрама с помощью света. Как отметил Александр Чернов, появление регулярной структуры меняет оптический отклик материала и даёт инструмент для изучения квантовых состояний с коллективным поведением частиц.

Результаты связаны с развитием твердотельных квантовых симуляторов на основе двумерных материалов. Такие системы могут использоваться для моделирования сложных процессов, которые трудно рассчитывать на классических компьютерах.