Elektrony w tańcu, który blokuje prąd
To właśnie one odpowiadają za nagłą przemianę materiału na bazie tulu, selenu i telluru z przewodnika w doskonały izolator, co następuje gdy zawartość telluru osiąga około 30 procent. Co najistotniejsze, po raz pierwszy udało się eksperymentalnie potwierdzić istnienie polaronów w tego typu związkach. Polarony zaliczają się do quasi-cząstek – obiektów kwantowych, w których grupa cząstek zachowuje się jak jednolita całość. Kiedy elektron przemieszcza się przez materiał, niejako ciągnie za sobą otaczające atomy, tworząc specyficzny rodzaj ruchu. Można to porównać do przemieszczającego się wgniecenia w sieci krystalicznej.
Czytaj też: Odkryto materiał łamiący prawa fizyki. Izolator przewodzi prąd wbrew wszystkim teoriom
Ten kwantowy taniec prowadzi do drastycznego spowolnienia elektronów. Delikatnie odkształcone warstwy atomowe działają jak hamulec, który ostatecznie całkowicie blokuje przepływ prądu. Materiał TmSe₁₋ₓTeₓ przestaje funkcjonować jako przewodnik i przekształca się w izolator. Wszystko za sprawą interakcji, której nie da się przewidzieć na podstawie samego składu chemicznego. Przez lata ta obserwacja stanowiła prawdziwą zagadkę dla fizyków. Dlaczego materiał zachowuje się inaczej, niż wynikałoby to z podstawowych zasad chemii?
Niepozorne wybrzuszenie, które zmieniło wszystko
Zespół z Uniwersytetu w Kilonii oraz ośrodka badawczego DESY od 2015 roku analizował właściwości związku na bazie tulu. Naukowcy wykorzystywali do tego spektroskopię fotoemisyjną wysokiej rozdzielczości, naświetlając materiał intensywnymi promieniami rentgenowskimi w różnych globalnych synchrotronach. Przez lata w ich pomiarach regularnie pojawiał się dziwny artefakt: niewielkie wybrzuszenie obok głównego sygnału. Początkowo naukowcy uznawali je za błąd techniczny. Być może problem leżał w aparaturze? A może to zwykłe zakłócenia? Jednak sygnał uporczywie powracał w każdym kolejnym pomiarze.
Chul-Hee Min, który rozpoczął badania nad tym materiałem w 2015 roku, postanowił zgłębić tę nietypową anomalię. Zespół nawiązał współpracę z teoretykami, którzy zaproponowali niestandardowe podejście, ponieważ jego członkowie wzięli siedemdziesięcioletni model Andersona i zmodyfikowali go, uwzględniając sprzężenie elektronów z drganiami atomowymi. Okazało się, iż ów rzekomy błąd techniczny był pierwszym eksperymentalnym dowodem na istnienie polaronów w związku metali ziem rzadkich. Niepozorne wybrzuszenie stanowiło ślad wspólnych wibracji elektronów i atomów.
Co dalej z polaronami?
Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza jeden egzotyczny materiał. Fizycy podejrzewają, że podobne efekty sprzężenia występują w wielu nowoczesnych materiałach kwantowych: od nadprzewodników wysokotemperaturowych po materiały dwuwymiarowe. Jeśli naukowcy opanują lepsze metody kontroli i wykorzystania tych niezwykłych właściwości elektronicznych, polarony mogą przyczynić się do rozwoju technologii, które obecnie wydają się odległą przyszłością. Nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej? Materiały o zupełnie nowych cechach elektronicznych? Być może są one bliżej, niż nam się wydaje, choć warto pamiętać, że od odkrycia do praktycznego zastosowania droga bywa długa.
Fakt, że byliśmy w stanie uczynić to widocznym tutaj po raz pierwszy, pokazuje, jakie interesujące nowe zjawiska wciąż czekają na odkrycie w kwantowym kosmosie materiałów – dodaje Kai Rossnagel z Uniwersytetu w Kilonii
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters. I choć odkrycie to stanowi znaczący krok naprzód w zrozumieniu materiałów kwantowych, wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. Naukowcy dopiero zaczynają rozumieć pełny potencjał polaronów oraz ich wpływ na właściwości materiałów. Kolejnym wyzwaniem będzie nauczenie się kontrolowania tych zjawisk w sposób, który umożliwi praktyczne zastosowania.