Работа, опубликованная сотрудниками Принстона и Техасского университета в Остине в журнале Science 21 октября, показала, что электроны при очень низких температурах, когда вступают в силу квантовые эффекты, могут спонтанно начать двигаться по одинаковым эллиптическим траекториям вокруг немногочисленных дефектов на поверхности сверхчистого кристалла висмута.

Такое поведение, называемое состоянием квантовой жидкости, подтверждает теоретические прогнозы, выдвигавшиеся на протяжении последних двух десятилетий.

«Предполагалось, но ещё никогда не было продемонстрировано, что электронную жидкость можно превратить в нематическую, с предпочтительной ориентацией, изменяя взаимодействие между электронами, — заявил возглавлявший исследование профессор Принстонского университета, Али Яздани (Ali Yazdani). — Настраивая силу магнитного поля можно заставить электроны интенсивно взаимодействовать и разрушить симметрию поверхности кристалла коллективным выбором определенной ориентации».

Спонтанные нарушения симметрии и их возможная связь с такими физическими свойствами материалов как высокотемпературная сверхпроводимость, сейчас — активная область исследований во всем мире.

В описываемой работе, эллиптические орбиты соответствуют электронам в разных долинных энергетических состояниях. Эксперимент продемонстрировал редкую ситуацию, когда электроны спонтанно занимают одну долину или другую. Это явление может найти применение в перспективной области технологий волитроники, с которой связывают планы создания более быстрых и эффективных устройств.

«Это первая визуализация квантовой жидкости, в которой взаимодействия между электронами позволяют им коллективно выбирать орбиты такой необычной формы», — сообщил профессор Яздани.

Другим крупным достижением данной работы, по его словам, стала методика прямой визуализации с помощью сканирующего электронного микроскопа орбит электронов, движущихся в магнитном поле: она, собственно, и позволила обнаружить появление этой странной квантовой жидкости.