Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο ανακάλυψαν μια ασυνήθιστη κβαντική κατάσταση στο δισδιάστατο υλικό Fe₅GeTe₂, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται συλλογικά και εξαιρετικά αργά, διατηρώντας ταυτόχρονα την κβαντική τους συνοχή.
Το εύρημα θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες τεχνολογίες μνήμης, καθώς οι διαφορετικές μαγνητικές καταστάσεις του υλικού μπορούν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση πληροφοριών.
Μια ασυνήθιστη κατάσταση πολλών σωμάτων
Το Fe₅GeTe₂ ανήκει στην κατηγορία των μαγνητών van der Waals, υλικών που αποτελούνται από εξαιρετικά λεπτά ατομικά στρώματα και παρουσιάζουν ιδιαίτερες μαγνητικές και κβαντικές ιδιότητες.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον επίκουρο καθηγητή Shuolong Yang, μελέτησε το υλικό χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με γωνιακή ανάλυση. Η τεχνική επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάζουν την ηλεκτρονική δομή και τις μαγνητικές καταστάσεις ενός υλικού.
Όταν οι ερευνητές εστίασαν ένα υπεριώδες laser σε περιοχή μόλις 10 μικρομέτρων, παρατήρησαν κάτι απροσδόκητο: μια επίπεδη ηλεκτρονική ζώνη.
Ηλεκτρόνια που κινούνται εξαιρετικά αργά
Σε μια επίπεδη ηλεκτρονική ζώνη, τα ηλεκτρόνια εμφανίζουν πολύ μικρότερη κινητικότητα από την αναμενόμενη. Στην περίπτωση του Fe₅GeTe₂, όμως, δεν πρόκειται απλώς για μεμονωμένα ηλεκτρόνια που κινούνται αργά.
Χιλιάδες ή ακόμη και εκατομμύρια ηλεκτρόνια κινούνται συλλογικά και με κβαντική συνοχή. Πρόκειται για ένα φαινόμενο πολλών σωμάτων, στο οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων καθορίζουν τη συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος.
Η ανακάλυψη υποδεικνύει ότι οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις στο υλικό διαφέρουν σημαντικά από ό,τι προέβλεπαν τα υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα.
Μια πιθανή νέα τεχνολογία μνήμης
Οι διαφορετικές μαγνητικές καταστάσεις του Fe₅GeTe₂ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών. Η ερευνητική ομάδα εξετάζει ήδη αν μπορεί να μεταβαίνει ελεγχόμενα από τη συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση πολλών σωμάτων σε άλλες καταστάσεις, χρησιμοποιώντας ένα μικροεστιασμένο laser.
Αν η διαδικασία μπορεί να ελεγχθεί με αξιοπιστία, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για έναν νέο τύπο μνήμης που θα αξιοποιεί κβαντικές και μαγνητικές ιδιότητες του υλικού.
Το επόμενο βήμα προς τη θερμοκρασία δωματίου
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι η συγκεκριμένη κβαντική συμπεριφορά διατηρεί τη συνοχή της έως περίπου 100 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Παρότι αυτό απέχει ακόμη από τη θερμοκρασία δωματίου, αποτελεί ενθαρρυντικό αποτέλεσμα σε σύγκριση με άλλα αντίστοιχα κβαντικά υλικά.
Οι ερευνητές θα εξετάσουν στη συνέχεια αν οι ίδιες ιδιότητες παραμένουν όταν το υλικό απολεπιστεί μέχρι να απομείνει ένα μόνο ατομικό στρώμα.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Science Advances και ενδέχεται να οδηγήσει σε νέα προσέγγιση για τη δημιουργία μικρότερων και πιο προηγμένων συστημάτων αποθήκευσης πληροφοριών.
