Mają energię, a się nie ruszają. Badacze odkryli odkryli niezwykłe stany kwantowe w metalu

Obserwacje, jakich dokonali naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, stoją w sprzeczności z logiką odnoszącą się do zachowania elektronów w metalach. Zaobserwowali bowiem stany związane w kontinuum (BIC) w materiale stałym. Dlaczego oznacza to potencjalny przełom?
Mają energię, a się nie ruszają. Badacze odkryli odkryli niezwykłe stany kwantowe w metalu

Wspomniane stany są szczególne, ponieważ elektrony pozostają uwięzione, mimo że ich energia pozwala im swobodnie przemieszczać się przez materiał. Postępy w ich badaniu oznaczają potencjalne korzyści dla nadprzewodnictwa, projektowania nowych urządzeń kwantowych, a nawet rozwoju skuteczniejszych katalizatorów.

Czytaj też: Zapomniany materiał sprzed lat skrywa strukturę mogącą odmienić przyszłość technologii

Zjawisko, które przez lata pozostawało przede wszystkim przedmiotem teoretycznych rozważań i badań nad światłem, udało się uwiecznić dzięki badaniom prowadzonym przez przedstawicieli Columbia University. Wraz z przedstawicielami innych ośrodków badawczych w Stanach Zjednoczonych członkowie zespołu badawczego ujawnili, iż elektrony mogą pozostawać lokalnie uwięzione w metalu, nawet jeśli otaczająca je struktura materiału umożliwia im swobodne przemieszczanie się.

Publikacja poświęcona tej kwestii ukazała się w Science, a żeby zrozumieć jej podstawy powinniśmy zacząć od tego, czym są stany związane w kontinuum. W typowych warunkach elektron może zostać uwięziony w określonym miejscu, jeśli nie dysponuje wystarczającą energią, aby pokonać otaczającą go barierę potencjału. W metalach sytuacja wygląda jednak inaczej. Ich struktura elektronowa pozwala cząstkom na stosunkowo swobodne przemieszczanie się, a dostępne poziomy energetyczne tworzą kontinuum.

Stany BIC są pod tym względem wyjątkowe. Elektron pozostaje zlokalizowany, mimo że jego energia odpowiada zakresowi, w którym powinien móc rozchodzić się po materiale. Nie blokuje go tradycyjna bariera energetyczna. Kluczową rolę odgrywa interferencja kwantowa. Można to porównać do sytuacji, w której elektron próbuje wydostać się z określonego miejsca kilkoma różnymi drogami. Fale kwantowe odpowiadające tym drogom mogą wzajemnie się znosić. W rezultacie ich amplitudy interferują destruktywnie, uniemożliwiając skuteczne rozchodzenie się elektronu w otaczającym materiale.

Eksperyment amerykańskich uczonych odbywał się na dwuwymiarowym materiale o wzorze chemicznym Pd₅AlI₂. Jego struktura krystaliczna przypomina charakterystyczną szachownicę, a obecność defektów w sieci atomowej odgrywa istotną rolę w powstawaniu nietypowych stanów elektronowych. Naukowcy wykorzystali skaningową mikroskopię tunelową oraz spektroskopię skaningową, aby zbadać zachowanie elektronów w materiale. Pomiary uzupełnili obliczeniami teoretycznymi opartymi na teorii funkcjonału gęstości.

Czytaj też: Kwantowe ograniczenie prędkości termalizacji. Fizycy udowadniają uniwersalne ograniczenie

Poza tytułowym fenomenem badacze zaobserwowali również, że kiedy dwa defekty znajdują się blisko siebie, związane z nimi stany mogą oddziaływać i ulegać hybrydyzacji. Otwiera to drzwi do kontrolowania wzajemnych oddziaływań takich stanów poprzez odpowiednie projektowanie struktury materiału. Naturalną konsekwencją powinny być postępy w badaniach nad nadprzewodnictwem i rozwojem przyszłych urządzeń kwantowych. Stany BIC dają możliwość uzyskania bardzo dobrze odizolowanych stanów elektronowych bez konieczności stosowania klasycznych barier energetycznych. Ich właściwości można potencjalnie wykorzystywać do projektowania nowych struktur i sposobów kontrolowania elektronów.

W grę wchodzą nawet potencjalne zastosowania w katalizie. Procesy katalityczne często zależą od tego, w jaki sposób elektrony przyłączają się do określonych miejsc na powierzchni materiału. Możliwość tworzenia i kontrolowania lokalnych stanów elektronowych mogłaby zatem pomóc w projektowaniu materiałów przyspieszających wybrane reakcje chemiczne.

Źródło: Science 

Napisane przez

Aleksander Kowal

Redaktor
Z wykształcenia romanista (język francuski oraz hiszpański) ze specjalizacją z traduktologii. Dziennikarską przygodę rozpocząłem około piętnastu lat temu, początkowo w związku z recenzjami gier komputerowych i filmów. Obecnie publikuję zdecydowanie częściej na tematy związane z nauką oraz technologią. W wolnym czasie uwielbiam podróżować, śledzić kinowe i książkowe nowości, a także uprawiać oraz oglądać sport.