Непослушные электроны: металлические свойства широкозонных диэлектриков в сильных магнитных полях

Коллоквиум по физике Докладчик: Джон Синглтон, Национальная лаборатория высоких магнитных полей, Лос-Аламосская национальная лаборатория Дата: 7 октября 2026 г. Аннотация: С раннего возраста нас учат, что металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла, а изоляторы — нет. В средней школе мы узнаём, что металлы содержат огромное количество заряженных электронов, которые могут свободно перемещаться и переносить тепло и ток, тогда как изоляторы этого не делают. В университете мы узнаём, что электроны являются фермионами, и, возможно, понимаем статистику Ферми-Дирака, что приводит к хорошо известному определению: «металл — это твёрдое тело с поверхностью Ферми». Поверхность Ферми — это поверхность постоянной энергии, которая при нулевой температуре отделяет занятые электронные состояния от пустых в пространстве импульсов; если мы знаем размер и форму поверхности Ферми металла, мы понимаем, как ведут себя его свободные электроны, и, следовательно, можем объяснить почти все его электрические, тепловые и магнитные свойства. За последнее десятилетие эта обнадеживающая картина была нарушена экспериментами с различными материалами при высоких магнитных полях и низких температурах. Хотя эти вещества являются электрическими изоляторами, они демонстрируют эффект де Хаасвана-Альфена — колебательное явление в магнитном поле, которое считается неопровержимым доказательством существования поверхности Ферми; то есть, оно обычно наблюдается только в металлах. После краткого обзора вышеупомянутых явлений я сосредоточусь на измерениях моттовского изолятора Кагомелатицы YCu3(OH)6Br2[Br1−y(OH)y] (YCOB) в магнитных полях до 75 Т. Наши эксперименты по намагниченности в импульсном поле убедительно свидетельствуют о том, что YCOB является квантовой спиновой жидкостью. В такой системе антиферромагнитный порядок подавляется геометрической фрустрацией и квантовыми флуктуациями. В этих условиях спин-зарядовое разделение электронов может приводить к образованию зарядово-нейтральных спинонов — фермионов, обладающих спином, но не имеющих заряда. С помощью сверхчувствительной крутящей магнитометрии наблюдаются осцилляции де Хааса-ван Альфена, что дает убедительные доказательства существования как спинонов, так и их сопутствующих частиц, бозонных чаргонов; последние вызывают связь приложенного магнитного поля с зарядово-нейтральными спинонами. Дополнительные ограничения на фермиевскую поверхность спинонов получены с помощью высокополевой сусцептометрии, емкостных и термических экспериментов на монокристаллах YCOB. Теоретическая модель спинонной зонной структуры, включающая узлы Дирака вблизи плато намагниченности 1/9, дает количественные предсказания, согласующиеся с наблюдаемыми осцилляциями. Наконец, я рассмотрю самые последние измерения на других кандидатах в спиновые жидкости, таких как Y-капеллазит, которые указывают на осцилляции как на возможное универсальное поведение в таких изоляторах. Биография: Джон Синглтон — физик конденсированных сред и инженер-электрик в Национальной лаборатории высоких магнитных полей (PFF), приглашенный профессор Оксфордского университета и член Американского физического общества и Института физики. Он является автором или соавтором более 500 статей в научных журналах, а также популярного учебника для студентов. Первый член своей семьи, получивший университетское образование, он учился в Оксфордском университете (бакалавр, магистр, доктор философии); его докторская диссертация была посвящена исследованиям полупроводников в промышленной компании GEC. До прихода в PFF он работал в лаборатории магнитов высокого поля Университета Неймегена и занимал должность, эквивалентную должности профессора в Оксфордском университете, где основал большую исследовательскую группу, которая существует и по сей день. Среди других его интересов – необычные антенны (использующие радиоволны, излучаемые ускоренными поляризационными токами, распространяющимися быстрее скорости света, имитируя некоторые астрономические объекты), игра на органе, теология, спелеология (руководил экспедицией, которая первой достигла дна седьмой по глубине пещеры в мире), работа с молодежью, горы, куры свободного выгула и хлебопечение.