Ten egzotyczny stan tak naprawdę niczym nie różni się od znanych powszechnie faz skupienia, czyli od stałej, ciekłej, gazowej i plazmy. Nie powinno to jednak dziwić, bowiem kwantowy ciekły kryształ ujawnia się w specyficznych warunkach na granicy dwóch materiałów połączonych w strukturę kanapkową (sandwiczowa).
Kluczową cechą jest tu anizotropia elektroniczna – właściwość polegająca na różnym przewodzeniu prądu w zależności od kierunku. W tym przypadku przewodnictwo jest najsłabsze w sześciu konkretnych kierunkach.
Czytaj także: Nowa forma materii zrewolucjonizuje świat. Jest tylko jedno “ale”
Fascynujące zjawisko pojawia się przy zwiększaniu natężenia pola magnetycznego. Elektrony zaczynają wówczas płynąć w dwóch przeciwnych kierunkach, co wiąże się z tzw. łamaniem symetrii rotacyjnej. Efekt ten obserwuje się wyłącznie w ekstremalnie silnych polach magnetycznych i przy temperaturach bliskich zera absolutnego.
Niezwykły duet materiałów
Cały fenomen opiera się na interakcji dwóch egzotycznych materiałów. Pierwszy to półmetal Weyla – przewodnik umożliwiający przepływ prądu z ogromną prędkością i niemal zerowymi stratami energii dzięki specyficznym kwazicząstkom (fermionom Weyla).
Drugi komponent to magnetyczny lód spinowy – izolator, w którym momenty magnetyczne układają się podobnie jak atomy wodoru w lodzie. Połączenie tych materiałów w cienką heterostrukturę generuje zupełnie nowe właściwości kwantowe.
Tsung-Chi Wu, główny autor badania, podkreśla znaczenie tej synergii:
Zaobserwowaliśmy nowe fazy kwantowe, które pojawiają się tylko wtedy, gdy te dwa materiały oddziałują ze sobą. Powstaje wtedy nowy kwantowy stan topologiczny materii w silnych polach magnetycznych, którego nigdy wcześniej nie obserwowano.
Konstrukcja tak precyzyjnej heterostruktury okazała się na tyle skomplikowana, że zespół musiał zbudować specjalne urządzenie – Q-DiP (platformę do odkrywania zjawisk kwantowych). Odkrycie to jednak może w przyszłości zaowocować stworzeniem ultraczułych kwantowych czujników pola magnetycznego. Tego typu urządzenia potencjalnie działałyby w ekstremalnych środowiskach – od przestrzeni kosmicznej po wnętrza maszyn stosowanych w przemyśle.
Warto jednak pamiętać, że większość eksperymentów przeprowadzono w Narodowym Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych na Florydzie. To jedyne miejsce dysponujące niezbędną infrastrukturą umożliwiającą generowanie potężnych pól magnetycznych i osiąganie temperatur bliskich -273°C. Warunki te są kluczowe do wystąpienia nowego stanu materii, ale równocześnie mocno ograniczają potencjalne zastosowania komercyjne – nie ma co się oszukiwać, że w najbliższym czasie trafią do powszechnego użytku.
Czytaj także: Nowe kwazicząstki. Ich zachowanie zaskoczyło fizyków
Wyniki badań opublikowane w Science Advances, stanowią dopiero wstęp do dalszych eksploracji. Teraz badacze planują przetestować inne kombinacje materiałów kwantowych w heterostrukturach i sprawdzić, czy w ten sposób nie powstaną kolejne nieznane stany materii.
Odkrycie przypomina, jak wiele tajemnic wciąż skrywa przed nami fizyka kwantowa. Choć na praktyczne wdrożenia przyjdzie pewnie poczekać jeszcze wiele lat, sam fakt istnienia tak egzotycznego stanu materii poszerza nasze rozumienie fundamentalnych praw natury. To krok w kierunku przyszłych technologii, ale bez przesadnego entuzjazmu – w końcu od laboratorium do fabryki wiedzie długa i wyboista droga.