Российские ученые впервые наблюдали свойства жидкого кристалла у твердого металлического соединения — гексаборида церия. К необычным свойствам этого вещества теперь добавилась возможность контролировать электрическое сопротивление. С научной статьей исследователей из Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН 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.

Для наглядности классический жидкий кристалл можно представить как раствор молекул, имеющих форму палочек. Если все «палочки» в растворе ориентированы беспорядочно, то у такой среды нет выделенного направления, и она 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.

В сильно коррелированных металлах, к которым можно отнести и 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 CeB₆ и 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.

«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».