Η συμμετρία αποτελεί μία από τις πιο θεμελιώδεις αρχές της φύσης, καθώς καθορίζει τους κανόνες που κάνουν ένα αντικείμενο να φαίνεται αμετάβλητο μετά από περιστροφή ή ανάκλαση.
Στα υλικά, η συμμετρία διέπει τη διάταξη των ατόμων και των ηλεκτρονίων, εμποδίζοντας συχνά ορισμένες συλλογικές ατομικές κινήσεις, τις λεγόμενες δονήσεις, από το να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ωστόσο, μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics αποδεικνύει ότι αυτοί οι περιορισμοί μπορούν να αρθούν εν μέρει, καθώς οι ηλεκτρονικές διακυμάνσεις έχουν τη δύναμη να γεφυρώσουν δυναμικά δονήσεις που η συμμετρία κανονικά θα κρατούσε χωριστά.
Η εξωτική κβαντική κατάσταση των Star-of-David
Οι ερευνητές εστίασαν σε ένα στρωματικό υλικό το οποίο σε θερμοκρασία δωματίου αναπτύσσει μια εξωτική κβαντική κατάσταση, όπου τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια αναδιατάσσονται σε ένα στατικό, κυματοειδές μοτίβο γνωστό ως «κύμα πυκνότητας φορτίου» (CDW). Αυτό το μοτίβο εκδηλώνεται ως μια διάταξη συμπλεγμάτων σε σχήμα «άστρου του Δαβίδ», τα οποία μπορούν να προσανατολιστούν με δύο διακριτούς τρόπους, προσδίδοντας στον κρύσταλλο μια αίσθηση χειρομορφίας. Η συγκεκριμένη κατάσταση, γνωστή ως «ferroaxial order», είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθεί με συμβατικά πειράματα, καθώς δεν ανταποκρίνεται άμεσα σε ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.
Το amplitudon ως γέφυρα επικοινωνίας
Αυτό το διατεταγμένο μοτίβο δεν είναι παγωμένο, καθώς τα συμπλέγματα «άστρων του Δαβίδ» μπορούν να δονούνται συλλογικά, μεταβάλλοντας περιοδικά την ισχύ του κύματος πυκνότητας φορτίου.
Αυτή η συντονισμένη κίνηση, την οποία οι φυσικοί ονομάζουν «amplitudon», αποδείχθηκε ότι λειτουργεί ως ένας συντονισμένος σύνδεσμος μεταξύ δονήσεων διαφορετικής συμμετρίας. Σύμφωνα με τη θεωρία που αναπτύχθηκε, το amplitudon συνδέει τη χαμηλότερη ενέργεια των ατομικών κινήσεων με την υψηλότερη ενέργεια του ηλεκτρονικού τομέα, επιτρέποντας την αλληλεπίδραση δονήσεων που υπό κανονικές συνθήκες θα ήταν «απαγορευμένη».
Έλεγχος των κβαντικών καταστάσεων σε θερμοκρασία δωματίου
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική σκέδασης φωτός για να μετρήσει πώς οι δονήσεις του κρυστάλλου ανταποκρίνονται σε φως με δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη πόλωση. Διαπίστωσαν ότι η ανισορροπία μεταξύ των δύο αποκρίσεων κορυφώνεται όταν η ενέργεια μιας συνηθισμένης δόνησης ταυτίζεται με την ενέργεια του amplitudon. Επειδή αυτό το φαινόμενο λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, η χρήση υπερταχέων παλμών λέιζερ προσφέρει μια νέα, πρακτική μέθοδο για την επιλεκτική ενεργοποίηση αλληλεπιδράσεων και τον έλεγχο κβαντικών καταστάσεων σε μια ευρεία κατηγορία υλικών.