Naukowcy po wielu dekadach starań uzyskali jednoznaczne dowody na istnienie nadprzewodnictwa chiralnego, czyli egzotycznego stanu materii, który dotąd pozostawał głównie w sferze teorii. Badania przeprowadził zespół z University of Tennessee, który stworzył niezwykle prosty, acz precyzyjnie kontrolowany układ: pojedynczą, ultracienką warstwę atomów cyny osadzonych na podłożu krzemowym.
Czytaj też: Chińczycy mają nadprzewodnik, jakiego zazdrości im reszta świata. Działa w rekordowej temperaturze
Kluczowe było w tym przypadku rozmieszczenie atomów. Uczeni pokryli nimi dokładnie jedną trzecią powierzchni, dzięki czemu spontanicznie ułożyły się w regularną, trójkątną sieć krystaliczną. To właśnie ta geometria okazała się decydująca dla ujawnienia poszukiwanego efektu.
Nadprzewodnictwo samo w sobie jest zjawiskiem dobrze znanym. Polega na całkowitym zaniku oporu elektrycznego i umożliwia przepływ prądu bez strat energii. Jednak jego chiralna odmiana należy do najbardziej tajemniczych form tego zjawiska. W takim stanie elektrony tworzą uporządkowane układy o określonej skrętności, czyli kierunkowości ruchu, co oznacza złamanie symetrii czasowej i pojawienie się nowych, nietypowych właściwości kwantowych.
Do tej pory problemem było to, że w realnych materiałach sygnały chiralności były maskowane przez złożone oddziaływania i niejednorodności. Autorom nowego eksperymentu udało się to obejść dzięki maksymalnemu uproszczeniu struktury materiału. Jak podkreślają badacze, czystość układu cyna-krzem pozwoliła im po raz pierwszy zobaczyć charakterystyczne sygnatury tego zjawiska bez zakłóceń.
Najbardziej spektakularnym efektem było zaobserwowanie unikalnych wzorów interferencyjnych przypominających kształtem kwiat. Powstają one na skutek zjawiska interferencji kwazicząstek, kolektywnych stanów elektronów, które zachowują się jak fale. Naukowcy porównują to do fal na wodzie: gdy nakładają się na siebie, tworzą złożone wzory, które mogą ujawniać ukryte właściwości układu. W tym przypadku taki kwiatowy wzór okazał się jednoznacznym odciskiem palca nadprzewodnictwa chiralnego.
Czytaj też: Czas jest zaskakująco skomplikowany. Fizycy ujawnili, jak zróżnicowany jest jego upływ
Co istotne, sygnał ten pojawiał się w pobliżu mikroskopijnych defektów struktury, na przykład brakujących atomów cyny. To właśnie w tych miejscach interferencja była najlepiej widoczna, co umożliwiło dokładne zmapowanie zjawiska przy użyciu mikroskopii tunelowej (STM), jednej z najbardziej zaawansowanych technik obrazowania w fizyce materii skondensowanej.
Na wstępie wspominałem o praktycznych zastosowaniach. Jakie mogłyby one być w tym przypadku? Nadprzewodniki chiralne są uważane za jednych z głównych kandydatów do budowy kubitów topologicznych, które mogłyby stać się fundamentem przyszłych komputerów kwantowych. Ich potencjalna przewaga polega na większej stabilności i odporności na zakłócenia, co jest dziś jednym z największych wyzwań w tej dziedzinie. Poza tym, dzięki prostemu modelowi opartemu na cienkich warstwach atomowych możliwe może się stać świadome tworzenie struktur o określonych właściwościach kwantowych, zamiast ich przypadkowego odkrywania.
Źródło: Physical Review X
