Okazuje się, że w specjalnych kryształach o strukturze kagome – nazwanej tak od tradycyjnego japońskiego wzoru plecionki z bambusa – elektrony zaczynają zachowywać się w nieoczekiwany sposób. Zamiast poruszać się chaotycznie jak niezależne cząstki, nagle synchronizują swoje działania, tworząc coś w rodzaju zorganizowanego zespołu. Co ciekawe, ten zbiorowy “taniec” elektronów zmienia się w zależności od kształtu samego kryształu.
Czytaj też: Przełomowa obserwacja dotycząca sieci kagome. Dostrzegli jej strukturę magnetyczną
Badanie opublikowane w Nature przynosi szczególnie interesujące wnioski, ponieważ koherencja kwantowa – czyli zdolność cząstek do poruszania się w synchronizacji – zazwyczaj pojawia się tylko w egzotycznych stanach materii, takich jak nadprzewodnictwo. Tymczasem w metalu CsV3Sb5 elektrony wykazują spójne zachowanie w zupełnie normalnych warunkach, bez konieczności tworzenia specjalnych par nadprzewodzących.
Niesamowite elektrony w metalu kagome
Naukowcy z Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) stworzyli mikroskopijne kryształowe filary o szerokości zaledwie kilku mikrometrów i zastosowali pola magnetyczne do obserwacji ich właściwości elektrycznych. W oporze elektrycznym zaobserwowali oscylacje Aharonova-Bohma – zjawisko, które dowodzi, że elektrony interferują ze sobą zbiorowo, utrzymując spójność znacznie dłużej, niż wynikałoby to z fizyki pojedynczych cząstek.
Czytaj też: Elektrony przekroczyły barierę dźwięku w grafenie. Elektronika już nigdy nie będzie taka sama
Zespół zmierzył, że koherencja utrzymuje się na długościach do 3 mikrometrów, podczas gdy średnia droga transportu pojedynczego elektronu wynosi tylko ok. 560 nm. Ta pięciokrotna różnica wskazuje na coś więcej niż zwykłe zachowanie kwantowe. Chunyu Guo, główny autor badania, zauważa, że elektrony, które normalnie nie oddziałują ze sobą, nie powinny być zdolne do takiego zachowania – to wyraźny znak spójnego stanu wielu ciał.
Chyba najbardziej fascynującym aspektem tego odkrycia jest sposób, w jaki geometria kryształu wpływa na oscylacje elektronów. Próbki prostokątne zmieniały wzorce pod kątem prostym, podczas gdy równoległoboki robiły to pod kątem 60o i 120o – idealnie dopasowując się do ich kształtu. Philip Moll, dyrektor MPSD, opisuje to zjawisko w przenośni: elektrony śpiewają w harmonii, a ich pieśń zmienia się wraz z pomieszczeniem, w którym się znajdują.
Wrażliwość zjawiska na orientację pola magnetycznego jest naprawdę niezwykła. Wystarczy odchylenie zaledwie 5o od płaszczyzny kagome, aby oscylacje całkowicie zaniknęły. Ta niebywała precyzja potwierdza, że mamy do czynienia ze stanem wielociałowym, w którym elektrony komunikują się na dalekie odległości i koordynują swoje zachowanie.
Otwiera to perspektywę kontrolowania stanów kwantowych poprzez kształtowanie geometrii materiału, a nie tylko manipulowanie jego składem chemicznym. Jeśli koherencję można projektować jak architekturę, a nie tylko odkrywać przypadkowo, granica materiałów kwantowych może przesunąć się z chemii na inżynierię strukturalną.
Obecnie zjawisko wymaga warunków laboratoryjnych – skupione wiązki jonów kształtują kryształy w mikrometrowe filary. Niemniej implikacje są dalekosiężne. Możliwość utrzymania koherentnego transportu ładunku bez nadprzewodnictwa może prowadzić do rozwoju urządzeń interferencyjnych działających w wyższych temperaturach i w reżimach, gdzie nadprzewodnictwo jest niemożliwe lub niepożądane.
Badacze spekulują, że niekoherentnymi składnikami kondensującymi się w ten spójny stan mogą być orbitalne prądy pętlowe, ekscytony lub sprzężone korelacje ładunku i spinu. Dalsze badania nad metalami kagome mogą nie tylko pogłębić zrozumienie skorelowanej materii kwantowej, ale także umożliwić projektowanie funkcjonalności kwantowej dla przyszłej elektroniki poprzez zmianę geometrii materiału. To nowa zasada projektowania, której fizycy się nie spodziewali, a która może zrewolucjonizować nasze podejście do inżynierii materiałowej.