Физики из Института структуры и динамики материи Общества Макса Планка (MPSD) в Гамбурге открыли новую форму квантового поведения в кристаллах кагоме. В этих структурах, названных в честь японского узора, электроны, обычно хаотичные, синхронизируются, образуя коллективное поведение, зависящее от формы кристалла. Исследование, опубликованное в Nature, показывает, что геометрия сама настраивает квантовую когерентность, открывая путь к материалам, где форма определяет функцию.
Квантовая когерентность — способность частиц двигаться синхронно — обычно проявляется в экзотических состояниях, таких как сверхпроводимость. Но в металле кагоме CsV₃Sb₅ после формирования крошечных кристаллических столбиков диаметром в несколько микрометров и воздействия магнитными полями команда MPSD обнаружила колебания электрического сопротивления, подобные эффекту Ааронова — Бома. Это доказывает, что электроны интерферируют коллективно, сохраняя когерентность без спаривания, что выходит за рамки физики элементарных частиц.
Иллюстрация электронной когерентности на больших расстояниях. Источник: Гоу и др.
«Это не то, на что способны невзаимодействующие электроны, — говорит Чунью Го, ведущий автор исследования. — Это указывает на когерентное многочастичное состояние». Удивительно, что колебания зависели от геометрии кристалла: прямоугольные образцы показывали изменения поведения при повороте на 90°, а параллелограммы — при поворотах на 60° и 120°, что точно соответствовало их форме. «Как будто электроны знают, находятся ли они в прямоугольнике или параллелограмме», — объясняет Филип Молл, директор MPSD. «Они синхронизируются, и поведение меняется в зависимости от того, в какой форме они находятся».
Это открытие предлагает новый способ управления квантовыми состояниями: путём изменения геометрии материала. Если когерентность можно не только наблюдать, но и формировать, исследователи смогут создавать материалы, которые будут вести себя как настроенные инструменты, где резонанс определяется не только химическим составом, но и структурой. «Металлы кагоме дают нам представление о когерентности, которая является одновременно устойчивой и чувствительной к форме, — говорит Молл. — Это новый принцип проектирования».
Решётка кагоме давно привлекает внимание учёных своим узором из треугольников и шестиугольников, часто затрудняющим движение электронов и приводящим к экзотическим фазам. Недавние открытия гамбургской команды распространяют этот эффект с атомного уровня на устройства, демонстрируя, что геометрия влияет на коллективное квантовое поведение электронов. Подобно тому, как хор звучит по-разному в соборе и в зале, электроны в этих кристаллах издают новый звук, на который влияет не только расположение атомов, но и форма.
В настоящее время это наблюдается только в лаборатории, но последствия могут быть далеко идущими. «Как только когерентность можно будет сформировать, граница применения квантовых материалов сместится от химии к архитектуре», — говорит Го. «Это открывает возможности для разработки квантовых функций в электронике за счёт изменения геометрии».
Дополнительная информация: Chunyu Guo et al, Many-body interference in kagome crystals, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09659-8
Источник: https://phys.org/news/2025-10-electrons-synchronize-kagome-crystals-revealing.html