Ученые из Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН впервые наблюдали свойства жидкого кристалла у твердого металлического соединения, гексаборида церия, в структуре которого на каждый атом металла (в данном случае церия) приходится шесть атомов бора. С научной статьей можно ознакомиться в журнале Scientific Reports. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Гексаборид церия (CeB6), который уже более 40 лет удивляет ученых необычными свойствами, относится к сильно коррелированным металлам. Электроны в таких металлах ведут себя не как атомы в газе (что происходит в обычных проводниках), а как сильно взаимодействующие молекулы в жидкости. Теперь же у гексаборида церия открыли свойства классических жидких кристаллов, благодаря которым его сопротивлением можно управлять с помощью магнитных полей. Эти свойства ранее были предсказаны у класса веществ, к которым относится CeB6, но никогда не наблюдались у этого соединения.
«Одно из направлений в физике конденсированного состояния – исследование металлических материалов, которые ведут себя как аналоги классических жидких кристаллов. Термин «жидкий кристалл» у всех на слуху: часы жидкокристаллические, ЖК-телевизор, дисплей мобильного телефона – все это мир вокруг нас», – поясняет ведущий автор статьи Сергей Демишев, доктор физико-математических наук, заведующий отделом низких температур и криогенной техники в Институте общей физики имени А.М. Прохорова РАН, профессор МФТИ и НИУ ВШЭ.
Для наглядности классический жидкий кристалл можно представить как раствор молекул, имеющих форму палочек. Если все «палочки» в растворе ориентированы беспорядочно, то такая среда не имеет выделенного направления и называется изотропной. Это случай максимально высокой симметрии, поскольку система совмещается сама с собой при повороте на любой угол вокруг любой произвольно выбранной оси. Однако изменение внешних условий, например, температуры или электрического поля, может привести к тому, что все «палочки» выстроятся вдоль одной выделенной в пространстве оси. Такая фаза обладает более низкой симметрией по сравнению с изотропной фазой и называется нематиком.
Оказывается, среди твердых тел тоже встречаются аналогичные жидким кристаллам материалы – электронные нематики. Трудно представить, что точечные электроны в них могут играть ту же роль, что и молекулы-палочки жидкого кристалла. У электронов есть собственный магнитный момент, спин, который можно образно представить в виде магнитной стрелки. Как железные опилки, выстраивающиеся по силовым линиям магнитного поля в школьном опыте, спины электронов тоже могут ориентироваться магнитным полем. Но и магнитные стрелки не спасают положения, поскольку, в отличие от магнитной стрелки компаса, спины не имеют конечного размера. Разрешение этого противоречия оказалось неожиданным.
a – Кристаллическая структура CeB6; b – схема исследования электронного нематического эффекта у CeB6. Электрический ток J направлен вдоль оси z, направление магнитного поля B варьируется в плоскости xy. Оранжевые стрелки обозначают хаотически ориентированные локализованные спины на атомах церия. c – Карта угловой зависимости анизотропного магнитосопротивления в экспериментах. В квадратных скобках приведены обозначения кристаллографических направлений. По материалам публикации в Scientific Reports. Источник: Сергей Демишев.
В сильно коррелированных металлах, к которым относится CeB6, происходят так называемые спиновые флуктуации. На классическом языке это означает, что «магнитная стрелка», связанная с электроном, «дрожит» — случайно меняет величину и ориентацию в пространстве. Если «дрожание» магнитных стрелок одинаково по всем направлениям, то такая среда изотропна и является аналогом изотропной фазы классического жидкого кристалла. А когда магнитные стрелки «дрожат» вдоль одного направления, среда анизотропна и представляет собой электронный нематик. При этом в нем упорядочены не спины, а именно их «дрожание». Упорядочение с понижением симметрии (появление выделенного направления) характерно только для спиновых флуктуаций, что отличает электронную нематическую фазу от других магнитоупорядоченных фаз.
Спиновые флуктуации важны потому, что в сильно коррелированных металлах именно они определяют электрическое сопротивление материала. Если электрический ток, представляющий собой поток электронов, не встречает препятствий, то сопротивление материала будет равно нулю, как у сверхпроводника. В сильно коррелированном проводнике «препятствием» для потока электронов будут спиновые флуктуации, зависящие от внешнего магнитного поля. Поэтому, чтобы обнаружить эффект электронного нематика, нужно исследовать электрическое сопротивление образца в зависимости от направления магнитного поля в пространстве. Физики называют это анизотропией магнитосопротивления.
До работы авторов зависимость сопротивления образца гексаборида церия от угла между магнитным полем и одной из осей подробно не изучалась. Восполнив этот пробел экспериментами, они построили детальные карты анизотропии магнитосопротивления в зависимости от температуры, проанализировали их и открыли эффект электронного нематика у гексаборида церия. Физики выяснили, как возникает анизотропия магнитосопротивления у CeB6и как общая теоретическая идея электронной нематической фазы реализуется на практике.
Оказалось, что при температуре всего на 3,2 градуса выше абсолютного нуля «дрожание» квантовых магнитных стрелок создает анизотропию магнитосопротивления. В результате гексаборид церия ведет себя как жидкий кристалл, а роль молекул-палочек играют анизотропные спиновые флуктуации.
«Пока мы не можем применить открытый эффект на практике. Наблюдаемое явление существенно низкотемпературное, и это пока что pure science, – комментирует Сергей Демишев. – Как правило, флуктуации любой природы рассматриваются как вредные с точки зрения технических приложений. Однако результаты нашей работы показывают, что спиновыми флуктуациями можно эффективно управлять, влияя на электропроводность материала. Может быть, кто-то из молодых коллег придумает, как применить только что обнаруженный нами эффект, например, в области спиновой электроники».
