Vedci opäť dokazujú, že nemenné pravidlá fyziky môžu mať svoje výnimky. Medzinárodný tím výskumníkov čerstvo potvrdil existenciu nového kvantového stavu hmoty, ktorý bol doteraz považovaný za nemožný. Nový objav popiera doterajšie poznatky o kvantovom svete a v prípade potvrdenia v ďalších výskumoch môže ovplyvniť budúcnosť technológií, informuje Rice Universtity.

Potvrdili osemročnú teóriu

Tím vedcov z TU Wien a Rice University ešte v roku 2017 prišiel s teóriou, že silné interakcie medzi elektrónmi môžu vytvoriť topologické elektronické stavy aj v prostredí, kde by podľa dovtedajších modelov nemali existovať. Išlo o odvážnu myšlienku, ktorá v tom čase nemala žiadny experimentálny dôkaz. Výskumníci však teraz teóriu potvrdili aj v praxi.

Tím sa zameral na intermetalické zlúčeniny céru, ruténia a cínu (CeRu₄Sn₆), ktoré sú známe tým, že sa pri extrémne nízkych teplotách správajú neštandardne a nachádzajú sa blízko tzv. kvantového kritického bodu.

Ide o bod, kde sa hmota nachádza na hranici medzi dvoma fázami a jej správanie už neriadia klasické pravidlá, ale kvantové fluktuácie. Elektróny v tomto režime prestávajú fungovať ako jednotlivé častice a správajú sa skôr ako kolektívne vlny.

Vedci stav prirovnávajú k vode, ktorá sa nachádza presne na hranici medzi ľadom a tekutinou. V takom okamihu je extrémne citlivá na akúkoľvek zmenu. Stačí nepatrné kolísanie teploty a okamžite sa mení jej štruktúra. Pri kvantovej kritickosti sa deje niečo podobné, len namiesto molekúl vody ide o elektróny, ktoré neustále prebiehajú medzi rôznymi kvantovými fázami.

Midjourney (úprava redakcie)

Podľa doterajších teórií by v podobnom prostredí nemali objavovať žiadne usporiadané elektronické stavy, nový výskum však doterajšie chápanie popiera. Merania elektrickej vodivosti, magnetických vlastností a Hallovho efektu podľa výskumu odhalili jasné znaky novej kvantovej fázy, ktorá sa mení v závislosti od magnetického poľa a tlaku.

Elektróny v materiáli sa správajú ako extrémne „ťažké“ kvázičastice, čo je typický dôsledok silných interakcií, no zároveň si zachovávajú topologické vlastnosti, hoci silné interakcie topologické stavy narúšajú. Práve spojenie dvoch zdanlivo nezlučiteľných javov robí objav taký výnimočný.

„Spojením týchto dvoch oblastí sme vstúpili na neprebádané územie. Prekvapilo nás, že samotná kvantová kritickosť dokáže generovať topologické vlastnosti, a to dokonca v prostredí so silnými interakciami,“ hovorí spoluautor štúdie Lei Chen.

Vedci upozorňujú, že nový stav sa teraz musí potvrdiť aj v nových materiáloch, potenciál využitia v praxi je však podľa nich obrovský a môže zmeniť spôsob, akým sa dnes navrhujú kvantové zariadenia. Súčasné kvantové počítače totiž potrebujú extrémne chladenie a často až na teploty blízke absolútnej nule, keďže aj minimálne tepelné rušenie dokáže narušiť ich kvantové stavy.

Nový typ topologických elektronických stavov je však prirodzene stabilnejší, čo znamená, že by mohol fungovať pri menej extrémnych podmienkach a znížiť nároky na chladenie aj energetickú spotrebu. Zároveň by umožnil konštrukciu citlivejších senzorov a odolnejších kvantových bitov, ktoré by si udržali presnosť aj v prostredí, kde dnešné systémy zlyhávajú.

Čítajte viac z kategórie: Novinky