Naukowcy odkryli element, dzięki któremu materiał kwantowy posiada niezwykłe właściwości

Kagome to japońska metoda wyplatania koszyków – w nawiązaniu do jej nazwy naukowcy tym samym mianem określili materiał kwantowy cechujący się między innymi wysokim przewodnictwem. Niedawno udało się natomiast odkryć element odpowiedzialny za te cechy.

Szczegóły na ten temat są dostępne w Nature Physics. Jeden z autorów badań, Riccardo Comin, już w 2018 roku zajmował się elektronową strukturą metali kagome. Inni członkowie tej rodziny składają się z warstw atomów ułożonych w powtarzające się jednostki podobne do gwiazdy Dawida.

Czytaj też: Niesporczaki i splątanie kwantowe? Naukowcy twierdzą, że udało im się tego dokonać

Jak wyjaśnia Comin, on i jego współpracownicy mają nadzieję, że lepsze zrozumienie struktury elektronowej tego materiału kwantowego pomoże w tworzeniu zaawansowanej platformy służącej do odkrywania innych materiałów kwantowych. Mogłoby się to przełożyć na powstanie nowej klasy nadprzewodników, a nawet skuteczniejszego wykonywania obliczeń kwantowych czy funkcjonowania technologii kwantowych.

Czym w ogóle są materiały kwantowe? Ich charakterystyczną cechą jest przejawianie egzotycznych właściwości z zakresu mechaniki kwantowej. Te nie mają odpowiedników w świecie makroskopowym. Wśród takich właściwości wymienia się na przykład splątanie kwantowe czy fluktuacje kwantowe. W przypadku metalu kagome badania prowadzono w laboratorium należącym do Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Wspomniany materiał składa się z trzech pierwiastków: cezu, wanadu i antymonu. Jego wzór chemiczny to natomiast CsV3Sb5.

Kagome to materiał kwantowy o przydatnych właściwościach

Naukowcy skupili się na dwóch egzotycznych właściwościach, którymi kagome cechuje się po schłodzeniu poniżej temperatury pokojowej. Właśnie wtedy elektrony w tym materiale kwantowym zaczynają wykazywać zachowania kolektywne. W efekcie pojawia się nadprzewodnictwo, które jest pożądaną właściwością. Kiedy temperatura spada znacznie poniżej zera, elektrony układają się w kształt fal. Ich „szczyty” są bogate w elektrony, natomiast „doliny” zawierają ich mniej. Wzór ten – w odróżnieniu od poprzedniego – jest statyczny.

Niewiadomą pozostawały czynniki stojące za występowaniem tej komunikacji między elektronami. Badając strukturę elektronową tego materiału, członkowie zespołu badawczego zauważyli, że elektrony wykazują intrygujące zachowanie określane mianem osobliwości elektronowej, którą nazwano osobliwością van Hove’a. Zazwyczaj energia poruszającej się cząstki jest proporcjonalna do kwadratu jej prędkości. Ale w metalu kagome ta zasada nie obowiązuje: elektrony poruszające się z różnymi prędkościami mają taką samą energię.

Reklama

Czytaj też: Dlaczego materia jest liczniejsza od antymaterii? Odpowiedź mogą skrywać niezwykłe obiekty kwantowe

Kiedy w materiale występuje wiele elektronów o tej samej energii, to oddziałują one ze sobą znacznie silniej. W efekcie elektrony mogą łączyć się w pary i stawać się nadprzewodnikami. To właśnie osobliwość van Hove’a stanowi kluczowy element stojący za niezwykłymi właściwościami opisywanego materiału kwantowego. Nowe ustalenia w tej sprawie są ważne ponieważ mogą doprowadzić do stworzenia nowych zasad projektowania kolejnych materiałów kwantowych.