Vedci našli kvantový stav, ktorý klasické modely nevedeli predpovedať. Výsledok je ohromujúci
Fyzika pevných látok zažíva ďalší fascinujúci moment, ktorý posúva hranice nášho chápania hmoty. Medzinárodný tím vedcov z Brazílie a Spojených štátov vystavil exotický materiál extrémnym podmienkam a zaznamenal správanie elektrónov, ktoré popiera doterajšie teoretické predpovede. Experimenty odhalili kvantové oscilácie v stave, kde už mali dávno úplne zaniknúť.
Dostaň Fontech do svojich Google odporúčaní
Pridať ako preferovaný zdroj Fontech, odkaz sa otvorí v novom okneVýskum viedli odborníci z University of São Paulo (USP) v spolupráci so známym Los Alamos National Laboratory. Aby vedci záhadu odhalili, museli materiál ochladiť na teplotu blízku absolútnej nule a vystaviť ho magnetickému poľu s gigantickou silou až 60 tesla, čo je mnohonásobne viac, než dokážu bežné laboratórne prístroje.
Ukazuje sa, že exotické materiály skrývajú oveľa bohatšie vlastnosti, než predpokladali klasické učebnicové modely, pričom podobné prelomy v laboratóriách pribúdajú čoraz častejšie. Len nedávno vedci zbúrali 145 rokov starý predpoklad fyziky pri inom slávnom jave.
Dve tváre jedného materiálu
Materiál, ktorý sa ocitol v centre pozornosti, nesie chemický vzorec ZrTe5 (telurid zirkónia). Patrí do mimoriadne zaujímavej skupiny takzvaných topologických izolátorov. Tieto látky majú unikátnu dvojitú povahu, vo svojom vnútri fungujú ako dokonalé elektrické izolanty, no ich vonkajší povrch vedie elektrický prúd bez zbytočných strát.
ZrTe5 je pre kvantových fyzikov doslova zlatou baňou. Nachádza sa totiž priamo na hranici medzi rôznymi topologickými fázami hmoty. Stačí minimálna zmena vonkajšej teploty, tlaku, mechanického napätia alebo magnetického poľa a jeho elektronické vlastnosti sa radikálne premenia.
Práve táto extrémna citlivosť robí z teluridu zirkónia ideálnu platformu na testovanie relativistických kvázičastíc priamo v pevnom skupenstve, bez nutnosti stavať obrovské urýchľovače častíc.
Záhada stratených a znovuzrodených oscilácií
Keď sa elektróny pohybujú v silnom magnetickom poli, ich energia už nemôže nadobúdať ľubovoľné hodnoty. Kvantová mechanika ich núti usporiadať sa do presne definovaných energetických hladín, ktoré fyzika nazýva Landauove hladiny, pomenované po sovietskom teoretickom fyzikovi Levovi Landauovi.
V bežných kovoch tieto hladiny postupne prechádzajú cez takzvanú Fermiho medzu, čo spôsobuje periodické kolísanie elektrického odporu, známe ako Šubnikovove-de Haasove oscilácie. Tieto zmeny odporu sa za normálnych okolností správajú veľmi predvídateľne a periodicky.
Existuje však takzvaný kvantový limit, za ktorým sú všetky elektróny uväznené v najnižšej energetickej hladine. Štandardná teória preto jednoznačne tvrdila, že za touto hranicou musia všetky oscilácie odporu definitívne vymiznúť. ZrTe5 však toto pravidlo úplne ignoroval a osciloval ďalej.

Keď spin elektrónu prepisuje pravidlá
Fyzici zistili, že za týmto záhadným prežitím oscilácií stojí fenomén, ktorý nazvali spätné ohýbanie Landauových hladín. Namiesto toho, aby sa energetické hladiny so silnejúcim magnetickým poľom lineárne vzďaľovali, niektoré z nich sa nečakane stočia späť a znova pretnú kľúčovú Fermiho hladinu.
Elektróny v tomto materiáli sa totiž nesprávajú ako bežné častice v kove, ale ako relativistické Diracove fermióny. Pri takomto stave začína hrať dominantnú úlohu vlastný spin elektrónu, teda jeho vnútorný kvantový moment hybnosti.
V materiáli nastáva silná väzba medzi spinom a orbitálnym pohybom elektrónov. Keď sa k tomu pridá magnetické pole so silou desiatok tesla, energia hladín sa začne vyvíjať nelineárne a umožní vznik anomálnych kvantových stavov, ktoré klasické vzorce nevedeli predvídať.
Koniec dlhoročného vedeckého sporu
Tento objav prináša aj odpoveď na dlhoročnú dilemu, ktorá v komunite fyzikov pevných látok vyvolávala búrlivé diskusie. Rôzne laboratóriá po celom svete totiž pri testovaní vzoriek ZrTe5 hlásili úplne odlišné správanie kvantových oscilácií.
Niektoré tímy pozorovali štandardnú periodicitu, iné zaznamenali neštandardné výkyvy a ďalšie dokonca logaritmické anomálie. Vedci sa roky nevedeli zhodnúť, či ide o chyby merania, nečistoty vo vzorkách alebo nový fyzikálny princíp.
Nový výskum dokázal, že všetky tieto zdanlivo protichodné výsledky majú spoločný pôvod. Rozhodujúcim faktorom je hustota nosičov náboja a tvar Fermiho plochy v konkrétnej vzorke. V čistejších vzorkách s nízkou hustotou nosičov náboja vystúpia do popredia spinové efekty, zatiaľ čo pri vyšších hustotách prevládne klasický mechanizmus.
Cesta k novej generácii elektroniky
Experimenty takéhoto rozsahu nie sú samozrejmosťou. V laboratóriu v Los Alamos museli vedci skombinovať pulzné magnetické polia s hodnotou 60 tesla a chladenie na úroveň 0,7 kelvina (-272,45 °C), čo dokáže len hŕstka špičkových zariadení na našej planéte.
Pochopenie toho, ako spin elektrónov ovplyvňuje transport energie a náboja v topologických materiáloch, má obrovský význam pre praktické aplikácie. Tieto poznatky priamo smerujú do oblasti spintroniky a vývoja kvantových počítačov.
Namiesto spoliehania sa iba na elektrický náboj, ktorý pri prechode vodičom generuje odpadové teplo, umožní využitie spinu vytvárať komponenty s minimálnou spotrebou energie a obrovskou výpočtovou rýchlosťou. Záhadné správanie teluridu zirkónia tak nie je len laboratórnou kuriozitou, ale jedným z kľúčových krokov k elektronike budúcnosti.
Čítajte viac z kategórie: Novinky
Ďakujeme, že čítaš Fontech. V prípade, že máš postreh alebo si našiel v článku chybu, napíš nám na redakcia@fontech.sk.
Teraz čítajú

Slováci robia pri kúrení zbytočné chyby. Pozri si jednoduché tipy, ako znížiť účty za energie

Nový akčný film práve dorazil online aj s dabingom. Svet v ňom ovládli monštrá

Myslel som si, že za kvalitné slúchadlá treba zaplatiť viac. Tieto mi však zmenili názor (RECENZIA)

Blízko Zeme našli novú planétu. Dlhé roky sa skrývala pred zrakmi astronómov

Vedci vytvorili robotického psa riadeného ľudskými mozgovými bunkami. Výsledok pripomína sci-fi
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Odchod starostu vyjde obec na 28-tisíc eur. Odstupné môže dosiahnuť päť platov

Štát ponúka Slovákom na digitálny kurz až 1 500 eur: Žiadať môžu aj zamestnaní

„Nech zhorí všetko, čo mám.“ Oski Barami odišiel do USA, pripúšťa aj život bez návratu

Na Slovensko prichádza ochladenie: V dolinách môže byť až −5 °C (PREDPOVEĎ)

Slovenský hrad je na predaj: Ponúka 4 luxusné apartmány aj kaplnku, na obnovu išlo približne 10 miliónov eur
- 24 hod
- 48 hod
- 7 dní
-
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
- Slovenskí vedci sú blízko k vyriešeniu drahého problému energetiky. Pomôcť má materiál tenší než vlas
- Číňania majú ďalší automobilový megahit. Predali 300 000 kusov jediného SUV a prekonali rekord
- Porušia 30-ročnú tradíciu. Japonská automobilka sa kvôli Číne rozhodla k historickému kroku
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
-
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
- Číňania majú ďalší automobilový megahit. Predali 300 000 kusov jediného SUV a prekonali rekord
- Slovenskí vedci sú blízko k vyriešeniu drahého problému energetiky. Pomôcť má materiál tenší než vlas
- Porušia 30-ročnú tradíciu. Japonská automobilka sa kvôli Číne rozhodla k historickému kroku
-
- Vedci vytvorili motor, aký svet ešte nevidel. 2000-ročný vynález zvýšil elektrický prúd až 100-násobne
- Majú voňať, namiesto toho ničia pľúca. Vedci varujú pred tichým zabijakom ovzdušia v dome
- Nemci riešia bezpečnostnú nočnú moru elektromobilov. Po Volkswagene zasiahla aj Audi
- EÚ zverejnila mapu budúcich klimatických rizík. Tieto časti Slovenska dopadnú najhoršie
- Nové sci-fi konečne dorazilo online. Stojí za ním tvorca Gladiátora
Volkswagen prepustí až 100-tisíc ľudí. Z Nemecka napriek tomu zazneli prekvapivé slová
Európa čakala veľký solárny prepad. Zatmenie ukázalo, prečo veľké číslo pre Slovensko neplatilo
Výrobcom počítačov a mobilov končí obľúbený trik. EÚ prísne skoncuje s falošnou ekológiou
Má stáť zelená energia 120 eur za MWh? ÚRSO označil zelenú energiu za drahý omyl, pravda je iná
Európa chcela odstrihnúť Putina, deje sa však opak. Dovoz ruského LNG prudko vzrástol
USA chystajú vesmírny štít za 160 miliárd eur. Prvý ostrý zásah príde v roku 2029
Mochovce dosiahli kľúčový míľnik. Štvrtý blok už rozbehol jadrovú reakciu
NAJČÍTANEJŠIE ZO STARTITUP

Odchod starostu vyjde obec na 28-tisíc eur. Odstupné môže dosiahnuť päť platov

Štát ponúka Slovákom na digitálny kurz až 1 500 eur: Žiadať môžu aj zamestnaní

„Nech zhorí všetko, čo mám.“ Oski Barami odišiel do USA, pripúšťa aj život bez návratu

Na Slovensko prichádza ochladenie: V dolinách môže byť až −5 °C (PREDPOVEĎ)

