Μια πρωτοποριακή ανακάλυψη έρχεται από το Πανεπιστήμιο Rutgers, όπου ομάδα φυσικών εντόπισε μια νέα, άγνωστη μέχρι σήμερα κατάσταση της ύλης, μια κβαντική υγροκρυσταλλική φάση, η οποία αναδύεται στην ένωση δύο εξωτικών υλικών υπό ακραίες συνθήκες. Η εξέλιξη αυτή δεν αποκλείεται να ανοίξει τον δρόμο για προηγμένες τεχνολογικές εφαρμογές και νέες κβαντικές συσκευές.
Η ερευνητική εργασία, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances, περιγράφει ένα πείραμα όπου οι επιστήμονες συνδύασαν δύο υλικά με ιδιότητες που έχουν από μόνα τους τραβήξει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας: το αγώγιμο ημιμέταλλο Weyl και το μονωτικό μαγνητικό spin ice. Όταν αυτά τα υλικά έρχονται σε επαφή υπό την επίδραση εξαιρετικά ισχυρών μαγνητικών πεδίων, προκύπτει μια νέα μορφή ύλης με παράξενη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων και διακοπή της συνήθους συμμετρίας.
Ο Tsung-Chi Wu, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και διδάκτορας του Rutgers, δήλωσε ότι ενώ κάθε υλικό έχει μελετηθεί εκτενώς ξεχωριστά, η αλληλεπίδρασή τους στο σημείο επαφής τους δεν είχε εξερευνηθεί ποτέ στο παρελθόν. Η σύζευξη αυτή γέννησε μια εντελώς νέα τοπολογική κβαντική φάση της ύλης που εμφανίζεται μόνο υπό ισχυρά μαγνητικά πεδία.
Στο κρίσιμο αυτό σημείο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ηλεκτρονικές ιδιότητες του ημιμετάλλου Weyl επηρεάζονται έντονα από τις μαγνητικές ιδιότητες του spin ice, οδηγώντας σε ένα σπάνιο φαινόμενο γνωστό ως ηλεκτρονική ανισοτροπία. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού μεταβάλλεται ανάλογα με τη διεύθυνση, με έξι συγκεκριμένες γωνίες να εμφανίζουν την ελάχιστη αγωγιμότητα. Όταν ενισχύεται το μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια ξαφνικά αρχίζουν να κινούνται ταυτόχρονα σε δύο αντίθετες κατευθύνσεις – ένδειξη παραβίασης της στροφικής συμμετρίας, χαρακτηριστικό μιας νέας κβαντικής φάσης.
Ο Wu τονίζει ότι αυτή η ανακάλυψη αποκαλύπτει νέους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να ελέγξουμε τις ιδιότητες των υλικών. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε τέτοιες εξαιρετικές καταστάσεις ενδέχεται να οδηγήσει στην ανάπτυξη εξαιρετικά ευαίσθητων κβαντικών αισθητήρων που θα λειτουργούν σε ακραίες συνθήκες, όπως στο Διάστημα ή εντός πανίσχυρων μηχανών.
Τα ημιμέταλλα Weyl διακρίνονται για την ικανότητά τους να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια με υψηλές ταχύτητες και χωρίς ενεργειακές απώλειες, χάρη στα φερμιόνια Weyl, υποατομικά σωματίδια που συμπεριφέρονται σαν να υπακούν στους νόμους της σχετικότητας. Το spin ice, από την άλλη, είναι μαγνητικό υλικό του οποίου οι μαγνητικές ροπές μιμούνται τη διάταξη των μορίων υδρογόνου στον πάγο. Ο συνδυασμός τους δημιουργεί μια ετεροδομή, δηλαδή μια στοιβάδα υλικών διαφορετικής φύσης σε ατομικό επίπεδο.
Η έρευνα διεξήχθη σε ακραίες συνθήκες, με πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλά μαγνητικά πεδία, κυρίως στο National High Magnetic Field Laboratory στη Φλόριντα, που διέθετε τις κατάλληλες υποδομές. Όπως εξήγησε ο Wu, χρειάστηκαν επανειλημμένες επισκέψεις στο εργαστήριο για την πραγματοποίηση των πειραμάτων και την αναβάθμιση των μεθόδων. Η θεωρητική υποστήριξη ήρθε από την ομάδα του Jedediah Pixley, αναπληρωτή καθηγητή του Rutgers, και ειδικότερα από τον ίδιο και τον Yueqing Chang, μεταδιδακτορικό ερευνητή, οι οποίοι ανέπτυξαν τα απαραίτητα θεωρητικά μοντέλα για να ερμηνεύσουν τα πειραματικά δεδομένα. Ο βασικός ερευνητής του προγράμματος ήταν ο Jak Chakhalian, καθηγητής Πειραματικής Φυσικής στο Rutgers.
Η συγκεκριμένη εργασία βασίζεται σε προηγούμενη έρευνα της ίδιας ομάδας που δημοσιεύθηκε νωρίτερα φέτος, στην οποία περιγράφεται η κατασκευή μιας εξαιρετικά λεπτής, ατομικού πάχους ετεροδομής από ημιμέταλλο Weyl και spin ice. Μάλιστα, για την κατασκευή της, αναπτύχθηκε ένα εξειδικευμένο μηχάνημα που ονομάστηκε Q-DiP (Quantum Phenomena Discovery Platform).
Στην προηγούμενη δημοσίευση δείξαμε πώς δημιουργήσαμε την ετεροδομή. Τώρα εξετάζουμε τι μπορεί να κάνει. Υπάρχουν πολλές δυνατότητες για να εξερευνήσουμε νέες κβαντικές ιδιότητες, συνδυάζοντας υλικά σε ετεροδομές. Ελπίζουμε ότι η εργασία μας θα εμπνεύσει την επιστημονική κοινότητα να ακολουθήσει αυτόν τον συναρπαστικό νέο δρόμο.
[via]
