Физики разгадали тайну дуг Ферми.

Некоторые материалы способны проводить электрический ток без сопротивления, но лишь при крайне низких температурах — это явление называется низкотемпературной сверхпроводимостью. Открытие материала, сохраняющего сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, могло бы привести к технологической революции. Ученые по всему миру исследуют такие высокотемпературные сверхпроводники.

Широко изучаемый класс высокотемпературных сверхпроводников — купраты — демонстрирует неожиданный эффект. В этих материалах электроны могут перемещаться лишь в ограниченном числе направлений. Квантово-физически допустимые состояния электронов располагаются на кривых, известных как дуги Ферми.

Дуги Ферми неожиданно обрываются в некоторых местах, и это поведение до сих пор не было объяснено традиционными теоретическими моделями. Команде из Технического университета Вены (Австрия) удалось создать аналитическую модель процессов в купратах и объяснить, что стоит за разрывом в дугах Ферми.

Ключом к разрыву в последовательности разрешенных состояний электронов оказалось антиферромагнитное взаимодействие атомов. Антиферромагнетизм подразумевает, что магнитное направление атома направлено против его соседа. Магнитные моменты электронов различных атомов выстраиваются так, что их ориентация всегда чередуется — как клетки на шахматной доске, где каждая имеет цвет, отличный от соседних.

Исследовательская группа продемонстрировала, что этот магнитный узор приводит к необычному направленно-зависимому поведению электронов. Ученые впервые представили теоретическую модель, объясняющую, почему ферми-дуги внезапно обрываются и почему движение электронов в таких материалах возможно только 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 стабильными, но в месте разрыва происходят сложные процессы. В той области поверхности Ферми (геометрического представления энергетического пространства, где электроны могут достигать максимально разрешенных энергий в выбранном материале), где возникает разрыв, формируется Латтингера. Это зона, в которой электроны не могут быть точно описаны стандартными моделями.

Выявление механизма формирования разрыва — ключевой момент для понимания поведения электронов в материалах с высокотемпературной сверхпроводимостью, поскольку дуги Латтингера сигнализируют о кардинальных изменениях в структуре электронных состояний. Изучение этих дуг помогает ученым глубже понять, как квантовые взаимодействия влияют на движение частиц в сверхпроводниках, открывая новые возможности для разработки материалов с улучшенными характеристиками.