Eksperyment na granicy możliwości
Najważniejszymi elementami tego przełomowego eksperymentu okazały się materiał znany jako YbB12 oraz niezwykle silne pole magnetyczne. W standardowych warunkach YbB12 zachowuje się jak klasyczny izolator: elektrony pozostają unieruchomione, uniemożliwiając przepływ energii. Jednak w Narodowym Laboratorium Pól Magnetycznych poddano go działaniu pola o natężeniu 35 Tesli. To wartość około 35 razy większa niż w typowym aparacie do rezonansu magnetycznego. W tych ekstremalnych warunkach materiał nagle zaczął przejawiać właściwości charakterystyczne dla metali. Pojawiły się oscylacje kwantowe typowe dla przewodników, co stoi w sprzeczności z dotychczasową wiedzą fizyczną.
Czytaj też: Origami rozwiązuje zagadkę fizyki kwantowej. Matematyk odkrył związek ze zderzeniami cząstek
Przez lata środowisko naukowe zastanawiało się nad fundamentalnym pytaniem: jeśli izolatory wykazują oscylacje kwantowe, to jakie jest ich źródło? Czy to jedynie powierzchniowy efekt, czy może coś dzieje się w głębi struktury materiału? Zespół Li dostarczył odpowiedź, która okazała się jeszcze bardziej zaskakująca niż samo zjawisko. Okazuje się, iż oscylacje pochodzą z wnętrza materiału, z całej jego objętości. To oznacza, że nie da się ich wytłumaczyć jakimikolwiek anomaliami na powierzchni próbki. Cały związek zachowuje się jak metal, pomimo swojej izolacyjnej natury. Kuan-Wen Chen, główny autor badania, podkreśla znaczenie tego ustalenia:
Przez lata naukowcy poszukiwali odpowiedzi na fundamentalne pytanie dotyczące pochodzenia nośników w tym egzotycznym izolatorze: Czy pochodzą z objętości, czy z powierzchni, są wewnętrzne czy zewnętrzne? Z radością przedstawiamy jasne dowody, że są one objętościowe i wewnętrzne
Teoria bez praktycznego wymiaru
Lu Li porównuje znaczenie tego odkrycia do rewolucji kwantowej sprzed stulecia. Wówczas fizycy ustalili, że światło i materia mogą przejawiać zarówno właściwości cząstek, jak i fal – zjawisko nazwane dualnością falowo-korpuskularną. Obecnie być może wkraczamy w erę „nowej dualności”, gdzie materiały mogą funkcjonować jednocześnie jako przewodniki i izolatory. Niestety, na razie pozostaje to jedynie fascynującą teorią pozbawioną praktycznych zastosowań. Niezwykłe metaliczne zachowanie YbB12 ujawnia się wyłącznie przy 35 Tesli – tak intensywnego pola magnetycznego nie da się utrzymać w żadnym urządzeniu codziennego użytku.
Największą niewiadomą pozostaje mechanizm odpowiedzialny za to zjawisko. Yuan Zhu, jeden ze studentów zaangażowanych w badania, wskazuje na kluczowe pytanie: jakie cząstki neutralne generują te oscylacje? Badacze liczą, iż ich odkrycie zainspiruje innych naukowców do poszukiwań odpowiedzi – zarówno eksperymentalnych, jak i teoretycznych.
Czytaj też: Japończycy zakwestionowali podstawy fizyki molekularnej. Cząsteczki chiralne przylegają do magnesów
I choć odkrycie nie przynosi szybkich rozwiązań technologicznych, to otwiera zupełnie nowy rozdział w fizyce materiałowej. Możliwość istnienia stanów pośrednich między izolatorem a przewodnikiem kwestionuje dotychczasowe modele teoretyczne. Warto pamiętać, że wiele przełomowych odkryć początkowo wydawało się jedynie ciekawostkami laboratoryjnymi. Patrząc z szerszej perspektywy, widzimy, że nawet w dobrze poznanych dziedzinach mogą czaić się niespodzianki, które zmuszą nas do rewizji podstawowych założeń. Być może za kilkadziesiąt lat to właśnie od tego eksperymentu będziemy liczyć nową erę w elektronice kwantowej.
