Struktura jak z koszyka. O co chodzi w metalach kagome?
Nazwa tych niezwykłych materiałów pochodzi od japońskiej sztuki plecenia koszyków, gdzie charakterystyczne przeplatanie się trójkątnych wzorów przypomina ich strukturę atomową. Ta specyficzna budowa prowadzi do zjawiska nazywanego “geometryczną frustracją”, które zmusza elektrony do tworzenia skomplikowanych konfiguracji kwantowych. Od około 2020 roku, kiedy to metale kagome zostały odkryte, naukowców fascynowała ich zdolność do radykalnej zmiany właściwości elektrycznych pod wpływem nawet niewielkich pól magnetycznych. To tak, jakby ktoś za pomocą zwykłego magnesu mógł przestawić fundamentalne ustawienia materiału.
Czytaj też: Trzy metale tworzą katalizator przyszłości. Metoda Habera i Boscha ma potężnego konkurenta
Za każdym razem, gdy widzieliśmy przełączanie magnetyczne, wiedzieliśmy, że dzieje się coś niezwykłego, ale nie potrafiliśmy wyjaśnić, dlaczego – zauważa Hiroshi Kontani, główny autor badania
Klucz do rozwiązania zagadki krył się w zrozumieniu interakcji między efektami kwantowymi a unikalną strukturą tych materiałów. Gdy japoński zespół schłodził metale kagome do temperatur bliskich -190 stopni Celsjusza, zaobserwował powstanie mikroskopijnych prądów pętlowych, czyli krążących strumieni elektronów tworzących swoiste wiry wewnątrz materiału. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego te subtelne struktury zmieniały swój charakter, co z kolei wpływało na makroskopowe właściwości przewodzenia. Najciekawszym aspektem okazał się efekt diodowy. Jest to właściwość polegająca na tym, iż prąd płynie przez materiał z różną łatwością w zależności od kierunku.
Metale kagome posiadają wbudowane wzmacniacze, które sprawiają, że efekty kwantowe są znacznie silniejsze niż w zwykłych metalach – dodaje Kontani
Badacze odkryli, że w grę wchodzi rzadkie zjawisko spontanicznego łamania symetrii, które pozwala tym materiałom na jednoczesne naruszanie kilku fundamentalnych zasad fizyki. To wyjaśnia, dlaczego tak słabe pola magnetyczne mogą wywoływać tak dramatyczne zmiany.
Co dalej z technologiami kwantowymi?
Ustalenia w tej sprawie zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences. Teoretycznie, zrozumienie mechanizmów rządzących metalami kagome może kiedyś doprowadzić do stworzenia nowych typów pamięci magnetycznej czy ultradokładnych czujników. Trzeba jednak pamiętać, iż przełom nastąpił dzięki splotowi trzech czynników: stosunkowo niedawnemu odkryciu samych materiałów, rozwojowi zaawansowanych teorii kwantowych oraz dostępności precyzyjnej aparatury badawczej. To pokazuje, jak wiele elementów musi się zgrać, by dokonać postępu w tak złożonej dziedzinie.
Czytaj też: Chłopiec przyniósł do domu metaliczny przedmiot. Jego promieniowanie zabiło całą rodzinę
Badania nad materiałami kagome wchodzą teraz w nową fazę, a najbardziej interesujące będzie ich praktyczne wykorzystanie. Obiecujące jest to, że naukowcy wreszcie rozumieją mechanizmy stojące za niezwykłym zachowaniem tych materiałów. Pozostaje pytanie, czy i kiedy ta wiedza przełoży się na realne zastosowania. W przypadku metali kagome możemy być świadkami wieloletniego procesu: najpierw przyjdzie pora na głębokie zrozumienie fundamentalnych zasad, a dopiero potem poszukiwanie praktycznych implementacji.