Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κιότο και συνεργαζόμενα ερευνητικά ιδρύματα κατάφεραν να συγκεντρώσουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη μιας εξαιρετικά σπάνιας κβαντικής κατάστασης σε ένα μεταλλικό υλικό με πλέγμα kagome. Η ανακάλυψη αφορά το υλικό CsV3Sb5 και δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε κβαντικά υλικά.
Τα κβαντικά υλικά παρουσιάζουν ιδιότητες που υπακούουν στους νόμους της κβαντομηχανικής και θεωρούνται ιδιαίτερα σημαντικά για μελλοντικές εφαρμογές σε κβαντικούς υπολογιστές, συστήματα αποθήκευσης δεδομένων και προηγμένες ενεργειακές τεχνολογίες.
Μια θεωρία που περίμενε επιβεβαίωση για περισσότερα από 20 χρόνια
Εδώ και πάνω από δύο δεκαετίες, οι θεωρητικοί φυσικοί είχαν προβλέψει την ύπαρξη της λεγόμενης «τάξης βρόχων ρεύματος» (loop current order). Πρόκειται για μια κατάσταση κατά την οποία μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα κυκλοφορούν σε κλειστές διαδρομές μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα ενός υλικού, χωρίς όμως να δημιουργείται μετρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα στο σύνολό του.
Το φαινόμενο αυτό προκύπτει όταν τα ηλεκτρόνια οργανώνονται αυθόρμητα σε μια διάταξη μικρότερης συμμετρίας από εκείνη του ίδιου του κρυστάλλου, χωρίς να μεταβάλλονται ουσιαστικά οι θέσεις των ατόμων. Αν και η θεωρία ήταν γνωστή, η πειραματική επιβεβαίωσή της είχε αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη.
Το πείραμα στο υλικό CsV3Sb5
Η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στο μεταλλικό υλικό CsV3Sb5, όπου τα άτομα σχηματίζουν ένα χαρακτηριστικό πλέγμα γνωστό ως kagome. Προηγούμενα πειράματα είχαν ήδη αποκαλύψει μια απρόσμενη ηλεκτρονική φάση πάνω από το σημείο όπου εμφανίζεται το συμβατικό κύμα πυκνότητας φορτίου.
Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι αυτή η άγνωστη φάση ίσως σχετίζεται με ένα «φανταστικό κύμα πυκνότητας φορτίου», μια ιδιαίτερη κατάσταση στην οποία δε μεταβάλλεται η πυκνότητα του ηλεκτρικού φορτίου αλλά η ίδια η κίνηση των ηλεκτρονίων, δημιουργώντας αυθόρμητους μικροσκοπικούς βρόχους ρεύματος ακόμη και χωρίς την παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Πώς εντοπίστηκαν οι μικροσκοπικοί βρόχοι
Για να ανιχνεύσουν το φαινόμενο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπικές τεχνικές υψηλής ακρίβειας, συγκεκριμένα πυρηνικό τετραπολικό συντονισμό (NQR) και πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR), εξετάζοντας τους πυρήνες αντιμονίου μέσα στο υλικό.
Οι μέθοδοι αυτές λειτουργούν ως εξαιρετικά ευαίσθητοι ανιχνευτές του τοπικού ηλεκτρονικού και μαγνητικού περιβάλλοντος στο εσωτερικό του κρυστάλλου. Συνδυάζοντας μετρήσεις με και χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, οι επιστήμονες κατάφεραν να απομονώσουν τα εξαιρετικά ασθενή εσωτερικά μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τους αυθόρμητους βρόχους ρεύματος.
Νέα στοιχεία για μια «κρυφή» κβαντική κατάσταση
Οι μετρήσεις αποκάλυψαν ακριβώς τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία που είχαν προβλέψει οι θεωρίες, προσφέροντας τις ισχυρότερες μέχρι σήμερα ενδείξεις ότι στο CsV3Sb5 υπάρχει το λεγόμενο «φανταστικό κύμα πυκνότητας φορτίου».
Η κατάσταση αυτή συνοδεύεται από αυθόρμητη παραβίαση της συμμετρίας αντιστροφής του χρόνου – μιας θεμελιώδους συμμετρίας της φυσικής – και θεωρείται πιθανό να σχετίζεται με άλλα άλυτα προβλήματα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, όπως η μυστηριώδης ψευδοχάσμα φάση των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.
Το επόμενο βήμα της έρευνας
Οι επιστήμονες σκοπεύουν τώρα να μελετήσουν πώς εξελίσσεται αυτή η ιδιαίτερη κβαντική κατάσταση σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες και υπό την επίδραση ισχυρών μαγνητικών πεδίων.
Παράλληλα, θα αναζητήσουν αντίστοιχους βρόχους ρεύματος και σε άλλα υλικά με πλέγμα kagome, καθώς και σε συστήματα όπου τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους. Αν επιβεβαιωθεί ότι η συγκεκριμένη μορφή κβαντικής τάξης εμφανίζεται και σε άλλα υλικά, οι ερευνητές εκτιμούν ότι θα αποκτήσουν μια πολύ βαθύτερη εικόνα για τη λειτουργία των κβαντικών υλικών και τις τεχνολογικές δυνατότητες που αυτά μπορούν να προσφέρουν στο μέλλον.
