Symetria czasu złamana w nadprzewodniku kagome. Pierwszy taki przypadek w historii

Naukowcy zaobserwowali oznaki nowej fazy elektronicznej, która umożliwia spontaniczny przepływ ładunków w pętlach. Wykorzystując ultraczułą spektroskopię spinów mionowych, badacze odkryli łamiące symetrię czasu pola magnetyczne. Odkrycie to może pomóc zrozumieć nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i inne zjawiska kwantowe.
Odkryte pola łamiące symetrię czasu sugerują obecność długo teoretyzowanych prądów orbitalnych
Odkryte pola łamiące symetrię czasu sugerują obecność długo teoretyzowanych prądów orbitalnych

Wzór kagome, czyli sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach, jest dobrze znany wśród japońskich tkaczy koszy. Jakiś czas temu zainteresowali się nim także fizycy badający materię skondensowaną. Nietypowa geometria atomów metalu w siatce kagome i wynikające z niej zachowanie elektronów sprawiają, że jest to prawdziwa “piaskownica” do badania dziwnych zjawisk kwantowych, jak nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Magia nadprzewodnictwa

Większość materiałów nadprzewodzących wykazuje swoje pozornie magiczne właściwości zerowej oporności w temperaturze kilku stopni powyżej zera bezwzględnego (−273,15oC, czyli 0 K). Istnieją materiały wykazujące tzw. nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, w temperaturach osiągalnych przy chłodzeniu ciekłym azotem. Tworzenie nowych materiałów o takich właściwościach jest Świętym Graalem fizyki materii skondensowanej, ale osiągnięcie tego celu wymaga lepszego zrozumienia topologicznych zachowań w materiałach.

Jako prekursor nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego rozważa się egzotyczny typ zachowania transportu elektronów, który skutkuje spontanicznym przepływem ładunku w pętlach, a także inne tajemnicze zjawiskiem: kwantowym anomalnym efektem Halla.

Zespół naukowców z PSI

Ten topologiczny efekt został nagrodzony w 2016 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Występuje on w pewnych dwuwymiarowych materiałach elektronicznych i wiąże się z generowaniem prądu nawet przy braku przyłożonego pola magnetycznego. Zrozumienie kwantowego efektu Halla jest ważne także dla potencjalnych zastosowań w nowatorskiej elektronice. Naukowcy z Paul Scherrer Institute (PSI) odkryli mocne dowody potwierdzające to nieuchwytne zachowanie związane z transportem elektronów.

Zespół z Laboratorium Spinowej Spektroskopii Mionów PSI odkrył słabe wewnętrzne pola magnetyczne wskazujące na egzotyczne uporządkowanie ładunków w nadprzewodniku kagome. Te pola magnetyczne łamią tzw. symetrię czasu, czyli rodzaj symetrii, który oznacza, że prawa fizyki są takie same niezależnie od tego, czy patrzymy na układ poruszający się zgodnie ze strzałką czasu lub przeciwnie.

Nowy rodzaj uporządkowania ładunków

Naturalnym wytłumaczeniem występowania pól łamiących symetrię czasu jest nowy rodzaj uporządkowania ładunków. Zjawisko to można rozumieć jako okresową modulację gęstości elektronów w sieci i rearanżację atomów w strukturę wyższego rzędu. Naukowcy z PSI skupili się na sieci kagome w nadprzewodniku KV3Sb5, który działa w temperaturze poniżej 2,5 K.

Czytaj też: Naukowcy odkryli element, dzięki któremu materiał kwantowy posiada niezwykłe właściwości

Pola łamiące symetrię czasu sugerują istnienie egzotycznego rodzaju uporządkowania ładunków, w którym prądu poruszają się wokół komórek jednostkowych sieci kagome – tzw. prądów orbitalnych.

Eksperymentalna realizacja tego zjawiska jest wyjątkowo trudna, ponieważ materiały wykazujące prądy orbitalne są rzadkie, a charakterystyczne sygnały prądów orbitalnych są często zbyt słabe, aby je wykryć.Zurab Guguchia z Lab of Muon Spin Spectroscopy w PSI

Chociaż poprzednie badania wykazały łamanie symetrii czasu poniżej temperatury nadprzewodnictwa, jest to pierwszy przykład, w którym symetria jest łamana przez ładunek. Ten jest klasyfikowany jako nowa kwantowa faza materii.