W ramach najnowszych badań naukowcom udało się ujawnić istnienie ukrytego stanu kwantowego w nietypowym materiale, który wykazuje rzadką formę łamania symetrii, znaną jako chiralność — wewnętrzną asymetrię uniemożliwiającą nałożenie obiektu na jego lustrzane odbicie. To odkrycie, możliwe dzięki wykorzystaniu nowatorskiego mikroskopu o niezwykłej czułości, otwiera nowy rozdział w fizyce materii skondensowanej.
Chiralność, znana m.in. z chemii i biologii, odnosi się do cechy obiektów, które – podobnie jak lewa i prawa ręka – nie są identyczne ze swoimi odbiciami lustrzanymi. Choć powszechna w strukturach cząsteczkowych, jej obecność w materiałach kwantowych jest niezwykle rzadka i intrygująca. Bohaterem opisywanych badań jest związek chemiczny KV₃Sb₅ (potas-wanad-antymon), posiadający specyficzną strukturę krystaliczną typu Kagome – układ przypominający sieć trójkątów i sześciokątów, który może sprzyjać powstawaniu złożonych stanów kwantowych. Dotychczas nie wykazywano w tym materiale właściwości chiralnych.
Czytaj także: Natura ceni symetrię. Nowe badania dostarczają odpowiedzi na ten temat
Od pewnego czasu naukowcy podejrzewali, że w odpowiednich warunkach w KV₃Sb₅ może pojawić się chiralny stan kwantowy indukowany przez falę gęstości ładunku (CDW – charge density wave) — czyli periodyczne rozkłady gęstości elektronów w materiale. Najnowsze badania potwierdzają te przewidywania. Zespół naukowców z Uniwersytetu Princeton w końcu bezpośrednio zaobserwował złamanie symetrii inwersyjnej i lustrzanej, udowadniając, że porządek elektronów w tym materiale ma rzeczywiście charakter chiralny. To pierwsze jednoznaczne potwierdzenie tego typu zjawiska w materiale topologicznym.
Choć samo zjawisko zostało potwierdzone eksperymentalnie, nie wiadomo skąd ono się bierze.
Badacze przyznają, że teoria stojąca za pojawieniem się chiralności w KV₃Sb₅ wciąż wymaga dopracowania. Niemniej jednak konsekwencje tego odkrycia mogą być daleko idące. Lepsze zrozumienie, jak łamanie symetrii zachodzi na poziomie kwantowym, może przybliżyć nas do odkrycia fundamentalnych zasad rządzących światem przyrody, a stąd już tylko krok do rozwoju nowych technologii.
Czytaj także: Azjatycki wzór inspiracją do przełomu w fizyce kwantowej
Powyższe odkrycie nie byłoby możliwe, gdyby nie nowatorskie narzędzie badawcze: skaningowy mikroskop fotoprądowy (SPCM – scanning photocurrent microscope). To zaawansowane urządzenie pozwoliło wykryć subtelne efekty kwantowe, które wcześniej pozostawały poza zasięgiem dostępnych metod pomiarowych. Dzięki niemu udało się po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwować chiralny stan kwantowy w materiale stałym.
Warto tutaj podkreślić, że już w 2021 roku po raz pierwszy zauważono potencjalne oznaki chiralności w KV₃Sb₅. Jednak ówczesne ograniczenia technologiczne uniemożliwiły jednoznaczną interpretację wyników. Teraz, dzięki postępowi w aparaturze badawczej, udało się te ograniczenia pokonać.
Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza samą fizykę materiałów. Wszechświat, w którym żyjemy, jest z natury asymetryczny, a zrozumienie, w jaki sposób i dlaczego dochodzi do łamania symetrii, może dostarczyć cennych wskazówek na temat fundamentów rzeczywistości.