Eksperyment na granicy zera absolutnego
Badacze z Vienna University of Technology, we współpracy z kolegami z Rice University, przyjrzeli się niezwykłemu związkowi chemicznemu. Materiał z ceru, rutenu i cyny (CeRu₄Sn₆) schłodzono do temperatury zaledwie jednego stopnia powyżej zera absolutnego, czyli około -273 stopni Celsjusza. W takich warunkach materia przechodzi do stanu określanego jako kwantowa krytyczność. W tym stanie układ nie może „zdecydować się”, w której z dwóch możliwych konfiguracji ma istnieć i bezustannie pomiędzy nimi fluktuuje. Tradycyjne opisywanie elektronów jako odrębnych kulek w takiej sytuacji traci jakikolwiek sens.
Czytaj też: Ten materiał można przetwarzać w nieskończoność. Przemysł lotniczy i energetyczny czeka na to od lat
Materiał fluktuuje między dwoma różnymi stanami, jakby nie mógł zdecydować, który chce przyjąć. W tym fluktuacyjnym reżimie obraz kwazicząstek traci swoje znaczenie – tłumaczy Diana Kirschbaum z Vienna University of Technology
I właśnie w tym kwantowym zamęcie naukowcy zaobserwowali coś wyjątkowego: spontaniczny efekt Halla. To zjawisko, w którym ładunki elektryczne odchylają się bez udziału zewnętrznego pola magnetycznego. Jego wykrycie było bezpośrednim dowodem na występowanie właściwości topologicznych.
Gdzie chaos, tam i postęp
Najbardziej zaskakujący był związek między chaosem a porządkiem. Efekt topologiczny osiągał maksimum dokładnie wtedy, gdy fluktuacje kwantowe były najsilniejsze. Gdy próbowano je stłumić za pomocą ciśnienia czy pola magnetycznego, pożądane właściwości znikały. To całkowicie przeczyło intuicji, która każe szukać zaawansowanych stanów materii w układach jak najbardziej uporządkowanych. Silke Bühler-Paschen z wiedeńskiej uczelni wskazuje, że dotychczasowe teorie zakładały istnienie tzw. kwazicząstek, czyli dobrze zdefiniowanych obiektów powstałych z kolektywnego zachowania wielu elektronów. Nowe odkrycie pokazuje, iż to założenie nie jest konieczne.
Okazuje się, że obraz cząstkowy nie jest wymagany do generowania właściwości topologicznych. Koncepcja może być rzeczywiście uogólniona – rozróżnienia topologiczne pojawiają się wtedy w bardziej abstrakcyjny, matematyczny sposób – dodaje badaczka
Naukowcy nadali nowo zaobserwowanemu zjawisku nazwę „emergentny półmetal topologiczny”. Przymiotnik „emergentny” podkreśla fakt, że właściwości wyłaniają się z kolektywnego, nieuporządkowanego zachowania całego systemu, a nie z cech jego indywidualnych składników.
Nowa ścieżka dla praktyków
Lei Chen z Rice University, odpowiedzialny za część teoretyczną projektu, podkreśla, że praca łączy dwie dotąd odrębne dziedziny: badanie kwantowej krytyczności i fizykę topologiczną. To otwiera nowe ścieżki badawcze. Dla naukowców poszukujących nowych materiałów funkcjonalnych to może być ważna wskazówka. Zachowanie kwantowo-krytyczne jest stosunkowo łatwe do wykrycia w wielu znanych związkach chemicznych. Oznacza to, że zamiast przeczesywać tablicę Mendelejewa w ciemno, badacze zyskują konkretny trop. Warto przyjrzeć się materiałom wykazującym kwantową krytyczność, bo tam mogą czaić się nieodkryte jeszcze stany topologiczne. Qimiao Si, współautor publikacji w Nature Physics, widzi w tym nie tylko teoretyczny przełom, ale i praktyczną szansę.
Czytaj też: Promieniowanie Czerenkowa w próżni. Naukowcy nie mają wątpliwości, że to sygnał nowej fizyki
Wiedza o tym, czego szukać, pozwala nam badać to zjawisko bardziej systematycznie. To nie tylko teoretyczny wgląd, to krok w kierunku rozwoju prawdziwych technologii wykorzystujących najgłębsze zasady fizyki kwantowej – podsumowuje
Perspektywy są ogromne: od stabilniejszych kubitów dla komputerów kwantowych po nowe generacje czujników i półprzewodników.