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.

Výskum 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.

Midjourney/LNLL

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