Физики решили загадку дуг Ферми

Некоторые материалы проводят электрический ток без сопротивления, но только при очень низких температурах, — это явление называют низкотемпературной сверхпроводимостью. Обнаружение материала, сохраняющего сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, могло бы вызвать технологическую революцию. Ученые всего мира ищут такие высокотемпературные сверхпроводники.

Широко исследуемый класс высокотемпературных сверхпроводников — купраты — проявляет неожиданный эффект. В них электроны могут двигаться только в определенном ограниченном числе направлений. Квантово-физически допустимые состояния электронов лежат на кривых, называемых дугами Ферми.

Дуги Ферми неожиданно обрываются в некоторых точках, и это поведение до сих пор не было объяснено традиционными теоретическими моделями. Команде из Технического университета Вены (Австрия) удалось разработать аналитическую модель процессов в купратах и объяснить происхождение разрыва в дугах Ферми.

Ключом к разрыву в последовательности разрешенных состояний электронов оказалось антиферромагнитное взаимодействие атомов. Антиферромагнетизм означает, что магнитное направление атома ориентировано противоположно направлению его соседа. Магнитные моменты электронов разных атомов выстраиваются таким образом, что их ориентация всегда чередуется — как клетки на шахматной доске, где каждая имеет цвет, отличный от соседних.

Исследовательская группа показала, что этот магнитный узор приводит к странному направлено-зависимому поведению электронов. Ученые впервые представили теоретическую модель, объясняющую, почему ферми-дуги внезапно обрываются и почему движение электронов в таких материалах возможно лишь в определенных направлениях.

Они использовали сложные компьютерные симуляции и разработали аналитическую модель, которая описывает эффект с помощью простой формулы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Электронные состояния на дугах Ферми остаются неизменными, но в месте разрыва происходят сложные процессы. В той части поверхности Ферми (геометрического представления энергетического пространства, на котором электроны могут достигать максимально разрешенных в выбранном материале энергий), где образуется разрыв, формируется Латтингера. Это область, в которой электроны точно не описываются стандартными моделями.

Обнаружение механизма формирования разрыва — ключевой момент для понимания поведения электронов в материалах с высокотемпературной сверхпроводимостью, так как дуги Латтингера указывают на кардинальные изменения в структуре электронных состояний. Исследование этих дуг помогает ученым глубже понять, как квантовые взаимодействия влияют на движение частиц в сверхпроводниках, открывая возможности для разработки новых материалов с улучшенными свойствами.