Група фізиків з США та Ізраїлю виявила новий стан речовини, що характеризується незвичайним упорядкуванням електронів. «Відкриття цього стану було абсолютно несподіваним і не заснованим на будь-яких попередніх теоретичних прогнозах. Вся сфера електронних матеріалів спирається на пошук нових станів, які забезпечують майданчики для пошуку нових макроскопічних фізичних властивостей », - говорить доктор Девід Се з Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені, штат Каліфорнія.

Доктор Се і його колеги з Тель-Авівського університету, Калтеха, Університету штату Айова і Університету Кентуккі зробили відкриття, відчуваючи лазерну методику вимірювання, яку нещодавно розробили для пошуку так званого багатополярного порядку.

«Щоб зрозуміти багатополярний порядок, спочатку уявіть кристал з електронами, які рухаються по його інтер'єру. При певних умовах цим зарядів може бути енергетично вигідно накопичуватися регулярним періодичним чином в цьому кристалі, утворюючи так зване впорядковане зарядом стан », кажуть вчені.

«Цеглинка цього типу порядку, а саме заряд, є просто скалярною величиною - тобто може бути описаний простим числовим значенням, або величиною. На додаток до заряду, електрони також мають ступінь свободи, відомої як спін ».

«Коли спини шикуються паралельно один одному, вони утворюють ферромагнетик. Оскільки спин має як величину, так і напрямок, впорядковане спіном стан описується вектором ».

За кілька десятиліть вчені розробили складні методи для пошуку обох типів цих станів.

«Але що, якщо електрони в речовині не шикуються жодним з цих способів? Іншими словами, що, якщо цей порядок буде показані не скаляром або вектором, а чимось з більшою розмірністю, на зразок матриці?

Це може статися, наприклад, якщо будівельним блоком упорядкованого стану була пара протилежно спрямованих спинив, описуваних так званим магнітним квадруполів. Такі приклади багатополярного-впорядкованих станів речовини складно виявити за допомогою традиційних експериментальних зондів ».

Як з'ясувалося, новий стан, який виявили доктор Се і його колеги, представляє саме такий тип багатополярного порядку. Щоб виявити багатополярний порядок, команда використовувала так званий ефект генерації оптичних гармонік, який проявляється всіма твердими речовинами, але зазвичай дуже слабкий.

«Зазвичай, коли ви дивитеся на об'єкт, освітлений світлом однієї частоти, весь світ, який ви бачите, відбивається від об'єкта з цієї ж частотою. Коли ви направите червону лазерну указку на стіну, ваші очі виявлять червоне світло ».

«Однак для всіх матеріалів невелика кількість світла відбивається кратно входить частоті. Таким чином, з червоною указкою буде також трохи блакитного світла, відскакує від стіни. Ви просто його не побачите через малого відсотка від усього світу. Ці кратності і називаються оптичними гармоніками ».

Фізики використовували той факт, що зміни в симетрії кристала впливають на силу кожної гармоніки по-різному. Оскільки виникнення багатополярного впорядкування змінює симетрію кристала специфічним чином, вчені подумали про те, що відгук оптичної гармоніки від кристала може послужити відбитком пальця багатополярного порядку.

«Ми виявили, що світло, відбите на частоті другої гармоніки, показує набір симетрій, які повністю відрізняються від властивих кристалічній структурі, при тому що в цьому ефекті абсолютно відсутній світло, відбите на основній частоті. Це стало чітким відбитком пальця певного типу багатополярного порядку », говорить Се.

Особливе з'єднання, яке вивчали вчені, було стронцій-іридій оксидом (Sr2IrO4).

За останні кілька років стронцій-іридій оксидом цікавилися дуже багато через певні особливості, які він поділяє з сполуками на основі оксиду міді (купратах). Подібно купратах, ірідати є електрично ізолюючими антиферромагнетиками, які стають все більш металевими у міру додавання або видалення з них електронів за допомогою процесу хімічного легування.

Високий рівень легування перетворить купратах в високотемпературний надпровідник, і коли купрати переходять від ізоляторів до надпровідників, вони спочатку проходять через загадкову фазу, відому як «псевдощель» (pseudogap), під час якої необхідна додаткова кількість енергії для вилучення електронів з матеріалу.

Протягом багатьох років фізики сперечалися про походження псевдощілини та її ставлення до надпровідності - чи є вона обов'язковою прекурсором надпровідності або конкурентним становищем із певним набором властивостей симетрії. Якщо зрозуміти це відношення краще, можливо, вийде розробити надпровідники, які працюють при близьких до кімнатної температурах.

Нещодавно псевдощелевая фаза також спостерігалася у стронцій-іридій оксиду. І доктор Се з колегами виявили, що багатополярний порядок, який вони визначили, існує в вікні легування і температури, де присутня псевдощель.

«З огляду на досить схожу феноменологію ірідатов і купратов, можливо, ірідати допоможуть нам вирішити деякі з давніх дебатів про відносини між псевдощілини і високотемпературної надпровідністю, - говорить доктор Се. - Ця знахідка підкреслює важливість розробки нових інструментів, які допоможуть розкрити нові явища. Крім того, ці багатополярного порядки можуть бути і у багатьох інших матеріалів. Sr2IrO4 - це перше, на що ми поглянули, тому ці порядки цілком можуть ховатися і в інших речовинах, і саме це ми будемо шукати далі ».

Робота вчених була опублікована в журналі Nature Physics.