В обычных материалах при нагревании атомы начинают колебаться сильнее, но их частота падает: связи между ними ослабевают, и они двигаются медленнее. В топологических изоляторах российские физики увидели обратное: при нагревании частота колебаний не падала, а росла. А их спектральные линии, наоборот, сужались. Это значит, что колебания становились более «чистыми» и долгоживущими — вопреки классическим представлениям.
Топологические изоляторы — это материалы-гибриды. Внутри они ведут себя как обычные изоляторы, не проводя ток, но по поверхности ток идет почти без потерь. Именно поэтому их считают перспективной основой для сверхэффективной электроники будущего.
Ученые исследовали два таких материала — теллурид висмута и сложную смесь на его основе. Рентген показал, что кристаллическая решетка при нагревании расширяется — это нормально. Но внутри, при температурах ниже −120°C, начались аномалии. Частота колебаний не снижалась, а росла.
Мы обнаружили эффект, противоречащий классической ангармонической теории. Несмотря на тепловое расширение кристалла, частота фононных мод возрастает, а ширина спектральных линий уменьшается, что говорит об увеличении времени жизни колебаний
Аномалия возникает из-за взаимодействия колебаний с электронами — так называемого электрон-фононного взаимодействия. В одном материале оно слабее, в другом — усиливается, достигая пика при определенной температуре. Как только температура поднимается выше, включаются классические механизмы, и все приходит в норму.
Понимание того, как и почему возникают такие аномалии, позволяет управлять поведением материалов в реальных тепловых условиях. А значит — разрабатывать электронные и квантовые устройства, которые не теряют своих свойств при нагреве.
В исследовании приняли участие ученые университетов — Томского государственного, Санкт-Петербургского государственного и Южного федерального, а также Российской академии наук — Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова и Уральского отделения. Результаты опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.
Ранее Наука Mail писала о том, что в мире впервые зарегистрирован порог энергии нейтрино.