Електрон безпосередньо взаємодіє з атомними спотвореннями кристала, коли рухається крізь матеріал. Міжнародна команда дослідників розв’язала давню загадку квантової фізики, відкривши невловимий квазічастинку — полярон — у незвичному матеріалі з рідкісноземельних елементів. Відкриття, здійснене науковцями з Кільського університету та дослідницького центру DESY, серед яких професор Кай Росснагель, пояснює, як цей матеріал може раптово переходити зі стану металу, що проводить електрику, у стан ідеального ізолятора. Загадка стосувалася сполуки з тулию, селену та телуру (TmSe₁₋ₓTeₓ). Фізики не могли зрозуміти, чому цей матеріал раптово перестає проводити струм, коли вміст телуру сягає приблизно 30 відсотків — адже така зміна не могла бути пояснена лише хімічним складом. Танець електронів і атомів Відповіддю виявилася не окрема частинка, а складна система. Полярон утворюється, коли електрон сильно взаємодіє з коливаннями навколишніх атомів, створюючи новий, спільний «частинкоподібний» стан. «Полярон можна описати як своєрідний “танець” між електроном і атомами», — пояснили дослідники у пресрелізі. У цьому матеріалі електрон рухається разом із невеликим спотворенням атомної решітки — «подібно до вм’ятини, що пересувається крізь кристал». Така взаємодія ефективно сповільнює електрони, у результаті чого матеріал втрачає провідність і стає ізолятором. Під інтенсивним рентгенівським випромінюванням Команда виявила це явище після багаторічних досліджень. Використовуючи високороздільну фотоемісійну спектроскопію на різних світових синхротронних установках, вчені опромінювали матеріал інтенсивними рентгенівськими променями, щоб дослідити поведінку його електронів. Протягом років у вимірюваннях з’являвся «невеликий додатковий сигнал» — «маленький горбик» поруч із головним піком, який спершу вважали технічною похибкою. «Сигнал повторювався під час усіх вимірювань», — зазначили науковці, що спонукало їх провести системне дослідження під керівництвом доктора Чул-Хі Міна, який розпочав вивчення матеріалу ще у 2015 році. Прорив стався, коли команда об’єдналася з теоретиками. Вони модифікували стандартну теоретичну модель — періодичну модель Андерсона — щоб включити у розрахунки взаємодію електронів з атомними коливаннями. «Це був вирішальний крок, — пояснив доктор Мін. — Як тільки ми врахували цю взаємодію, результати симуляцій і вимірювань збіглися ідеально». Значення для квантових матеріалів Хоча полярон як явище давно відомий теоретично, це дослідження вперше експериментально підтвердило його існування у цій специфічній групі «квантових матеріалів». Дослідники вважають, що їхні результати можуть мати значення і для інших сполук. Подібні ефекти взаємодії, ймовірно, відіграють роль у надпровідниках високих температур і двовимірних матеріалах. «Подібні відкриття часто народжуються з наполегливих фундаментальних досліджень, — зазначив Росснагель. — Але саме такі знахідки з часом ведуть до появи нових технологій». Успіх команди, яка змогла виявити полярон, не лише пояснює дивну властивість матеріалу переходити з металу в ізолятор, але й підтверджує ключовий теоретичний принцип у новому класі матеріалів.