Как электроны пересобирают сами себя: физики зафиксировали мгновенную самоорганизацию фаз в кристалле

В физике твердого тела все превращения веществ — фазовые переходы, делятся на два основных типа.

При фазовом переходе первого рода состояние вещества меняется скачком. Этот процесс всегда сопровождается выделением или поглощением энергии (скрытой теплоты) и скачкообразным изменением объема. При фазовом переходе второго рода структура вещества меняется плавно и непрерывно. В этом случае скрытая теплота не выделяется, а характеристики материала меняются постепенно по мере изменения температуры.

В реальных квантовых материалах определить точный тип фазового перехода крайне сложно. Любой кристалл содержит микроскопические дефекты и примеси. Измерительные приборы в лабораторных условиях усредняют показатели по всему объему образца. Из-за этого сглаживания резкий переход первого рода на графиках часто выглядит как плавный переход второго рода.

Международная группа физиков из Массачусетского технологического института, Стэнфордского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха применила метод сверхбыстрой лазерной спектроскопии для исследования трителлурида эрбия (ErTe3). Измерив скорость восстановления электронного порядка после короткого лазерного удара, ученые смогли определить истинную природу фазового перехода в этом материале.

Что такое волна плотности заряда и в чем заключалась загадка ErTe3

В некоторых твердых телах при низких температурах возникает особое состояние — волна плотности заряда (ВПЗ). В обычном металле электроны распределены равномерно. При формировании ВПЗ электроны самоорганизуются в периодическую структуру с чередованием зон высокой и низкой плотности заряда. Это перераспределение электрического заряда заставляет атомы кристаллической решетки немного смещаться со своих стандартных мест.

Трителлурид эрбия (ErTe3) — это слоистый материал, структура которого состоит из плоских сеток атомов теллура, разделенных слоями эрбия. В этом кристалле образуются две разные волны плотности заряда, направленные перпендикулярно друг другу:

1. Главная волна (c-ВПЗ): возникает при охлаждении материала ниже 265 К (-8 °C) вдоль оси c. Она формируется по классическому механизму: электроны взаимодействуют с колебаниями кристаллической решетки (фононами). При приближении к критической температуре колебания атомов замедляются — возникает так называемая мягкая фононная мода. Это классический фазовый переход второго рода.
2. Вторичная волна (a-ВПЗ): появляется при более низкой температуре — ниже 160 К (-113 °C) вдоль оси a.

Вторичная волна обладала свойствами, которые не удавалось объяснить стандартными физическими теориями:

• Измерения не фиксировали характерного замедления колебаний решетки (мягкой фононной моды) при температуре формирования a-ВПЗ.
• В материале нарушался закон Видемана — Франца, который устанавливает жесткую связь между электрической и тепловой проводимостью металлов.
• Разные методы измерений давали противоречивые результаты: один показывал признаки стандартного перехода, другие их опровергали.

Обычные методы анализа, работающие с материалом в состоянии покоя, не могли дать ответ о механизме возникновения вторичной волны.

Как проходил эксперимент: метод сверхбыстрой фотоэлектронной спектроскопии

Чтобы понять истинный механизм формирования фаз, исследователи вывели кристалл из состояния равновесия с помощью метода trARPES (фотоэлектронная спектроскопия с временным и угловым разрешением).

Эксперимент строится по принципу двух последовательных световых импульсов:

1. Импульс возбуждения (накачка): на кристалл направляется короткий лазерный импульс инфракрасного света длительностью 200 фемтосекунд (одна фемтосекунда — это одна квадриллионная часть секунды). Этот импульс передает энергию электронам и мгновенно разрушает упорядоченное состояние волн плотности заряда. В электронном спектре исчезает энергетическая щель — диапазон энергий, запрещенный для электронов в упорядоченном состоянии.
2. Зондирующий импульс: с задержкой в доли пикосекунд (одна пикосекунда — это одна триллионная часть секунды) на кристалл подается второй импульс жесткого ультрафиолета. Он выбивает электроны с поверхности кристалла.
3. Регистрация: специальный времяпролетный детектор ARTOF одновременно фиксирует скорость и угол вылета каждого электрона. Это позволяет построить подробную карту состояний электронов в материале в конкретный момент времени.

Повторяя эту процедуру с разными задержками между импульсами, физики получили возможность отследить процесс восстановления порядка с высокой точностью.

Результаты измерений: принципиальное различие в скорости восстановления

Ученые провели серию измерений при температуре ниже 160 К, когда в кристалле присутствуют обе волны плотности заряда. В ходе эксперимента меняли плотность энергии лазерного импульса (мощность накачки) от 0,07 до 0,70 мДж/см².

После лазерного удара в момент времени t = 0 пикосекунд электронный порядок разрушается. К 0,1 пикосекунды энергетические щели обоих состояний полностью закрываются. По мере того как электронная система остывает, начинается процесс релаксации: энергетические щели открываются снова, и материал возвращается в исходное состояние. Этот процесс занимает около 2 пикосекунд.

Сравнение динамики релаксации двух волн при разной мощности лазера выявило ключевое различие:

• Динамика главная волны (c-ВПЗ): время восстановления порядка прямо зависит от мощности лазера. При минимальной мощности накачки (0,07 мДж/см²) время релаксации составляет 0,3 пикосекунды, а при максимальной мощности (0,70 мДж/см²) оно увеличивается до 1,1 пикосекунды. Такое замедление происходит из-за того, что сильный лазерный удар создает в системе хаотические флуктуации и дефекты структуры, на устранение которых требуется дополнительное время. Это подтверждает, что c-ВПЗ образуется путем перехода второго рода.
• Динамика вторичной волны (a-ВПЗ): время восстановления остается практически одинаковым при любой мощности лазера. Оно составляет приблизительно 1,0 пикосекунду как при минимальном лазерном воздействии, так и при его десятикратном увеличении.

Теоретическое объяснение: механизм зародышеобразования

Для объяснения полученных данных физики провели теоретическое моделирование на основе временного уравнения Гинзбурга — Ландау. Исследователи проверили два сценария:

Сценарий 1: Конкуренция двух переходов второго рода

Если предположить, что оба состояния возникают путем перехода второго рода, то сильный лазерный нагрев должен генерировать флуктуации, замедляющие восстановление обеих волн. Моделирование показало, что в этом случае время восстановления обоих состояний должно расти с увеличением мощности лазера. Это противоречит экспериментальным данным для вторичной волны.

Сценарий 2: Зародышеобразование и рост (переход первого рода)

Модель, в которой вторичная волна описывается как фазовый переход первого рода, полностью совпала с экспериментальными данными.

Физика этого процесса выглядит так:

1. Лазерный импульс разрушает упорядоченное состояние вторичной волны по всему объему.
2. В структуре кристалла сохраняются микроскопические дефекты, которые становятся центрами зарождения (затравками) новой фазы.
3. По мере остывания электронов состояние с вторичной волной снова становится энергетически выгодным.
4. Вокруг центров зарождения начинают расти области (домены) упорядоченной фазы.

Скорость расширения границ этих областей зависит только от разности энергии между исходным и новым состоянием вещества. Эта скорость является постоянной физической характеристикой материала и не зависит от мощности лазерного импульса.

Увеличение мощности лазера создает больше первичных центров зарождения, но не меняет скорость роста отдельных областей. Поскольку границы всех областей движутся с одинаковой постоянной скоростью, общее время, необходимое для их смыкания и полного восстановления фазы по всему объему, остается неизменным.

Сравнение с другими материалами и практическая ценность открытия

Чтобы убедиться в правильности выводов, авторы исследования сравнили поведение ErTe3 с данными по другим квантовым материалам:

• Материалы с подтвержденным переходом первого рода (1T-TaS2, IrTe2, нанопровода индия на кремнии): во всех этих веществах время восстановления порядка не зависит от мощности лазерного импульса.
• Материалы с подтвержденным переходом второго рода (LaTe3, 1T-TiSe2, K0.3MoO3): в этих системах время восстановления всегда растет при увеличении мощности накачки из-за развивающихся флуктуаций.

Сопоставление доказало, что постоянство времени восстановления в экспериментах с импульсным лазером служит надежным признаком фазового перехода первого рода.

Эксперимент доказал, что вторичная волна плотности заряда в ErTe3 формируется по механизму фазового перехода первого рода с образованием и ростом локальных зародышей. Это объясняет, почему стандартные методы измерений в состоянии покоя давали искаженную картину и не фиксировали изменений в колебаниях кристаллической решетки.

Разработанный метод исследования позволяет однозначно определять тип фазовых переходов в сложных квантовых материалах, где традиционные лабораторные измерения оказываются неэффективными из-за маскирующего влияния дефектов и пространственного усреднения.

Источник: arXiv