Fizycy odkryli chiralny stan kwantowy, którego istnienie przeczy wszystkiemu, co wiedzieli

Pod pojęciem chiralności kryje się właściwość obiektu, która różni się od jego lustrzanego odbicia. To zjawisko wzbudza zainteresowanie przedstawicieli wielu różnych dziedzin, takich jak fizyka, chemia czy biologia. Niedawno ci pierwsi osiągnęli wielki sukces w eksperymentach.
Fizycy odkryli chiralny stan kwantowy, którego istnienie przeczy wszystkiemu, co wiedzieli

Chiralność występuje między innymi w podwójnej helisie DNA bądź spiralnych wzorach na muszlach ślimaków. W odniesieniu do przełomu dokonanego przez autorów nowych badań mówi się natomiast o odkryciu nieznanego wcześniej chiralnego stanu kwantowego w materiale, który miał być niechiralny. Przedstawiciele Uniwersytetu w Princeton piszą o przebiegu zorganizowanych eksperymentów na łamach Nature Communications

Czytaj też: Ten tajemniczy materiał zrewolucjonizuje komputery kwantowe. Tak to można przechowywać informacje

Materiał znany jako KV3Sb5 był przez długi czas uznawany za niechiralny, lecz w świetle ostatnich doniesień sytuacja uległa zmianie. Członkowie zespołu badawczego skorzystali w tym celu ze skaningowego mikroskopu fotoprądowego, który umożliwił im wykrycie złamanych symetrii w fali gęstości ładunku. Objęty badaniami materiał topologiczny posiada strukturę sieci Kagome, a wyciągnięte wnioski mogą mieć przełożenie na rozwój technologii kwantowych.

Fizycy udzielili bowiem odpowiedzi na pojawiające się od dawna pytanie: czy takie materiały mogą spontanicznie łamać symetrię, tworząc chiralne stany kwantowe? Wcześniej taki fenomen wykryto w układach nietopologicznych, lecz w tym przypadku doszło do historycznego sukcesu. Miał on postać powtórzenia tego wyczynu w odniesieniu do topologicznego materiału kwantowego.

Chiralny stan kwantowy w materiale KV3Sb5 został zaobserwowany dzięki wykorzystaniu skaningowego mikroskopu fotoprądowego

Sieć Kagome ma postać dwuwymiarowego wzoru geometrycznego tworzonego przez połączone ze sobą trójkąty. Dotychczas zakładano, iż jest on z natury achiralny, lecz w 2021 roku doszło do przełomu. Nastąpił przy udziale skaningowego mikroskopu tunelowego o wysokiej rozdzielczości. Stanowiło to wstęp do dalszych działań, których efekty obserwujemy teraz. 

Kluczem w tym zakresie był skaningowy mikroskop fotoprądowy pozwalający na wykrywanie nieliniowej odpowiedzi elektromagnetycznej KV3Sb5 w świetle spolaryzowanym kołowo. Kiedy próbki były przechowywane w normalnych temperaturach, fotoprąd nie wykazywał preferencji między prawoskrętnym a lewoskrętnym światłem kołowym. Kiedy jednak temperatura została obniżona, fotoprąd stał się skręcony, co stanowi wyraźny dowód na chiralność. 

Czytaj też: Półprzewodniki, które przeczą prawom fizyki? Naukowcy rozwikłali wielką zagadkę

Korzyści płynące z przeprowadzonych eksperymentów powinny mieć wpływ na technologie optoelektroniczne i fotowoltaiczne. Łamanie symetrii i określenie, w jakich warunkach ma ono miejsce, będzie miało przełożenie na zrozumienie koncepcji fizycznych pokroju przemian fazowych, magnetyzmu, nadprzewodnictwa oraz zjawisk topologicznych. Dostęp do zaawansowanych instrumentów sprawia natomiast, że fizycy z pewnością nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa.