Wybór padł na metal kagome znany jako CsV₃Sb₅, a zgromadzone dane dostarczają ważnych wskazówek dotyczących mechanizmów odpowiedzialnych za jedno z najbardziej fascynujących zjawisk współczesnej fizyki. Zdaniem naukowców może to oznaczać większe niż kiedykolwiek wcześniej możliwości z zakresu projektowania nowych materiałów wykorzystywanych w technologiach kwantowych.
Czym w ogóle jest nadprzewodnictwo? Krótko mówiąc, to zjawisko, w którym prąd elektryczny przepływa przez materiał bez jakichkolwiek strat energii. Od lat uczeni sądzą, że będzie to jeden z fundamentów przyszłych komputerów kwantowych, ultraszybkiej elektroniki czy nowoczesnych systemów przesyłu energii. Mimo intensywnych badań naukowcy wciąż nie rozumieją w pełni, jakie procesy zachodzą w elektronach tuż przed przejściem materiału w stan nadprzewodzący.
Czytaj też: Naukowcy po raz pierwszy w historii dostrzegli tryb Higgsa w półprzewodniku. To klucz do rozwoju energetyki
Na szczęście zespół fizyków z KAIST ma nam coś do powiedzenia w tej sprawie. To właśnie jego członkowie wykazali, iż w metalu kagome CsV₃Sb₅ pojawia się wcześniej nieznany etap organizacji elektronów. Badania pokazały, że zanim elektrony utworzą uporządkowaną strukturę znaną jako fala gęstości ładunku, generują jeszcze bardziej subtelny stan określany mianem porządku prądów pętlowych.
Materiały kagome zawdzięczają swoją nazwę charakterystycznemu układowi atomów przypominającemu tradycyjny japoński wzór plecionki. Taka geometria sprawia, że elektrony oddziałują ze sobą wyjątkowo silnie, prowadząc do powstawania zjawisk kwantowych praktycznie nieobserwowanych w zwykłych metalach. Wśród nich znajdują się zarówno fale gęstości ładunku, jak i nadprzewodnictwo czy egzotyczne stany topologiczne.
Szczególne zainteresowanie badaczy od kilku lat budzi związek CsV₃Sb₅, który w niskich temperaturach wykazuje zarówno fale gęstości ładunku, jak i nadprzewodnictwo. Jednocześnie od dawna trwała dyskusja, czy pomiędzy tymi dwoma stanami istnieje jeszcze dodatkowy, ukryty etap organizacji elektronów. Wcześniejsze eksperymenty sugerowały możliwość występowania zjawiska związanego z łamaniem symetrii odwrócenia czasu, jednak nie było jasne, czy jest ono jedynie skutkiem powstawania fali gęstości ładunku, czy też stanowi niezależny proces.
Aby rozstrzygnąć tę kwestię, naukowcy wykorzystali zaawansowaną technikę spektroskopii fotoemisji z rozdzielczością kątową i kołowo spolaryzowanym światłem. Podczas eksperymentów próbki wysokiej jakości kryształów CsV₃Sb₅ poddawali działaniu światła o lewo- i prawoskrętnej polaryzacji. Następnie badacze z dużą precyzją analizowali różnice w intensywności emitowanych elektronów, eliminując sygnały wynikające z geometrii układu pomiarowego, aby pozostawić wyłącznie informacje pochodzące z samego materiału.
Czytaj też: Morze Fermiego, a na nim fizycy płynący w nieznane. Odkryli zadziwiające zjawisko wprost z kwantowego świata
Analiza pokazała wyjątkowo wyraźnie, iż sygnał świadczący o złamaniu symetrii odwrócenia czasu pojawia się już w temperaturze około -133 do -128 stopni Celsjusza. Jest to wartość znacznie wyższa od temperatury około -179 stopni, przy której tworzy się fala gęstości ładunku. Oznacza to, że elektrony organizują się w charakterystyczne mikroskopijne obiegi, tworząc porządek prądów pętlowych jeszcze zanim uformują bardziej znaną strukturę okresowego rozmieszczenia ładunku.
Porządek prądów pętlowych od lat stanowił coś, co przewidywały modele teoretyczne, jednak jego jednoznaczne potwierdzenie eksperymentalne pozostawało niezwykle trudnym zadaniem. Wyniki badań KAIST dostarczają jednych z najmocniejszych dotychczas dowodów na istnienie tego zjawiska. To bardzo istotny krok w zrozumieniu mechanizmów odpowiedzialnych za niekonwencjonalne nadprzewodnictwo, którego nie da się wyjaśnić klasycznymi teoriami. Ustalenie, jakie stany organizacji elektronów poprzedzają pojawienie się nadprzewodnictwa, może pomóc wyjaśnić, dlaczego niektóre materiały osiągają ten stan w znacznie wyższych temperaturach niż przewidują tradycyjne modele.
Źródło: Nature Physics
