Странная фаза материи, существовавшая только в теории, оказывается реальной

Странная фаза вещества, которая раньше существовала исключительно в области теории, наконец-то обнаружена в реальном материале.

Она известна как фаза брэгговского стекла – странное, казалось бы, парадоксальное расположение атомов в стеклянный материал, частицы которого почти так же упорядочены, как и в идеальном кристалле. Ученые даже не были уверены в существовании брэгговского стекла, но оно существовало, скрываясь в сплаве палладия, вставленном между слоями тербия и теллура (Pd_xErTe₃).

Открытие, сделанное физиком Кришнанандом Маллайей из Корнелльского университета и опубликованное в журнале Nature Physics, не только проливает свет на поведение материалов, но и демонстрирует новый мощный набор методов исследования. атомные структуры экзотических материалов.

Фазы, о которых идет речь, связаны с тем, как устроены атомы и молекулы. Дальнеупорядоченная фаза — это фаза, в которой молекулы в кристаллическом твердом теле расположены аккуратным геометрическим трехмерным узором. Неупорядоченная фаза — это фаза, в которой все составляющие атомы перемешаны. Жидкости разупорядочены таким образом, как и некоторые твердые тела, например стекло.

Между этими упорядочениями физики предсказали существование третьей фазы. Это стекло Брэгга.

Маллайя и его команда подумали, что они могут найти его в материале, содержащем волну зарядовой плотности (ВЗП) — явление, обычно встречающееся в двумерных материалах и описывающее периодическую модуляцию заряда материала. плотность. Думайте об этом как о «волне» в том, как распределяются электроны.

Для каждой из трех фаз ВЗП ведет себя по-разному. Для дальноупорядоченной фазы ВЗП коррелирует со структурой материала и продолжается бесконечно. В неупорядоченном состоянии он разрушается на конечном расстоянии. Для стекла Брэгга корреляция нарушается – но медленнее и на большем расстоянии, чем в неупорядоченном состоянии, и кажется, что она исчезает только на бесконечных расстояниях.

«Задача, — говорит физик Ын-А Ким из Корнеллского университета, — состоит в том, чтобы обнаружить эти различия на основе экспериментальных данных, которые также отражают реальные проблемы, такие как шум и конечное разрешение экспериментальной установки».

Чтобы обнаружить фазу, потребовалось много работы. Во-первых, был материал; Pd_xErTe₃ был тщательно изучен учеными из SLAC и Стэнфорда несколько лет назад и определил, что он подходит для их целей.

Чтобы исследовать структуру материала, исследователи отправили образцы в Аргоннскую национальную лабораторию. Там Pd_xErTe₃ подвергся бомбардировке рентгеновскими лучами, чтобы измерить, как свет преломляется внутри материала.

Наконец, Чтобы изучить и проанализировать огромное количество данных рентгеновской дифракции, исследователи использовали инструмент анализа данных машинного обучения под названием рентгеновская температурная кластеризация (X-TEC). Это позволило им исследовать тысячи пиков ВЗП. «Впервые флуктуации ВЗП были проанализированы на основе более чем нескольких пиков», отмечают исследователи.

От асимметрии пиков ВЗП Маллайя и его команда утверждают, что наконец определили существование фазы брэгговского стекла, экспериментально подтвердив ее существование в реальном мире. Это представляет собой значительный прогресс в понимании этой неуловимой фазы.

Помимо подтверждения существующих моделей, их методы также должны оказаться полезными для будущих исследований: инструмент X-TEC смог извлечь характеристики из данных с высокой точностью, с высокой скоростью, что обещает множество открытий в будущем.

«Используя инструменты машинного обучения и подходы в области науки о данных, мы можем решать сложные вопросы и отслеживать тонкие сигнатуры посредством всестороннего анализа данных», – Ким говорит.

Результаты команды были опубликованы в журнале Nature Physics.