Za rewelacjami w tej sprawie stoją przedstawiciele Nanjing University. Chińscy naukowcy, na czele których stanął Lei Wang, mówią o czymś, co określają mianem TDAHE. Co to? Tłumaczenie to po prostu transwymiarowy anomalny efekt Halla i chyba najłatwiej będzie wyjaśnić nie samą nazwę, a przebieg i konsekwencje całego zjawiska.
Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, zacznijmy od jednego: fizycy klasyfikują stany skupienia materii przede wszystkim na podstawie tego, jak poruszają się elektrony wewnątrz materiału. Ich ruch zależy od wielu czynników, w tym od struktury atomowej. Jednym z kluczowych zjawisk opisujących takie zachowanie jest efekt Halla. Gdy cienki materiał zostaje umieszczony w polu magnetycznym, elektrony zaczynają krążyć po niewielkich orbitach, a przepływ prądu zostaje odchylony na jedną stronę próbki.
Czytaj też: Świat nauki stanął u progu załamania. Fizycy wydali werdykt w sprawie anomalii mionu
W materiałach o właściwościach magnetycznych sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej. Pojawiają się wtedy różne odmiany wspomnianego zjawiska, takie jak anomalny efekt Halla, wynikające z bardziej złożonej choreografii ruchu elektronów. To właśnie w tym obszarze badawczym chiński zespół natknął się na coś zupełnie nieoczekiwanego.
Badacze analizowali ultracienki materiał zbudowany z atomów węgla ułożonych w charakterystyczny wzór rombów. Ich celem było uzyskanie idealnie wydajnych prądów elektrycznych. Jednak kiedy próbkę poddali działaniu pola magnetycznego, elektrony zaczęły zachowywać się w sposób, którego nie przewidywały żadne istniejące teorie. Jak przyznał sam Wang, odkrycie było całkowitym zaskoczeniem i przez około rok zespół próbował zrozumieć otrzymane wyniki.
Podstawowy problem polegał na tym, że materiał wykazywał efekt Halla jednocześnie dla dwóch różnych pól magnetycznych ustawionych prostopadle względem siebie. Oznaczało to, iż elektrony wykonywały ruchy kołowe zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej. Tego typu zachowanie wydawało się niemożliwe, ponieważ materiał był zbyt cienki, aby umożliwić pełnoprawny ruch w trzech wymiarach.
Początkowo naukowcy podejrzewali błąd eksperymentalny. Jednak kolejne pomiary oraz badania nowych próbek nie pozostawiały wątpliwości: wyniki były powtarzalne. Okazało się, że w materiałach o grubości zaledwie od 2 do 5 nanometrów elektrony rzeczywiście zachowują się w zupełnie nowy sposób, który nie mieści się ani w modelu dwuwymiarowym, ani trójwymiarowym.
To właśnie ta pośredniość doprowadziła do wprowadzenia pojęcia transwymiarowości. Jak podkreśla Wang, nie chodzi o prostą mieszankę właściwości 2D i 3D. Zamiast tego mamy do czynienia z zupełnie nowym reżimem fizycznym, który nie należy do żadnej z dotychczas dobrze opisanych kategorii.
A co z praktycznymi konsekwencjami odkrycia? Kluczową cechą tego stanu skupienia materii jest nietypowa struktura matematyczna opisująca elektrony. W szczególności brak symetrii w trzech różnych aspektach wyróżnia ten stan na tle wcześniej znanych przypadków. W związku z tym w grę wchodzą nowe sposoby kontrolowania ruchu elektronów, kluczowe dla rozwoju zaawansowanej elektroniki, w tym urządzeń kwantowych i systemów opartych na spintronice. Ale zanim fizycy będą mogli ogłosić pełnoprawny sukces, będą chcieli odnaleźć podobne zjawiska w innych materiałach oraz wykorzystać bardziej zaawansowane narzędzia badawczych.
Źródło: Nature
