Fizyka kwantowa ma to do siebie, że lubi robić ludziom na złość. Niby mamy teorie, modele, przewidywania… a potem przychodzi eksperyment i mówi: „nie, jednak da się”. Dokładnie tak wygląda najnowsze odkrycie międzynarodowego zespołu badaczy, którzy znaleźli nowy stan kwantowy materii, uważany wcześniej za… praktycznie niemożliwy w danych warunkach.
I nie jest to ciekawostka dla pasjonatów laboratoriów. Ten typ zjawisk może w przyszłości wpływać na komputery kwantowe, ultraefektywną elektronikę oraz nowe metody detekcji i obrazowania.
Co odkryto i dlaczego to takie ważne?
Badacze zaobserwowali szczególny stan kwantowy zwany topologiczną fazą półmetaliczną w materiale o składzie:
CeRu₄Sn₆ (cer + ruten + cyna)
To o tyle zaskakujące, że stan topologiczny i tzw. krytyczność kwantowa według dotychczasowego „podręcznikowego” podejścia nie powinny iść w parze.
A jednak: połączenie wystąpiło.
Jak to ujął fizyk Qimiao Si z Rice University:
silne efekty kwantowe mogą się łączyć i tworzyć coś zupełnie nowego.
To jest dokładnie ta chwila, kiedy nauka przestaje być suchą teorią i robi się fascynująco… oraz niebezpiecznie dla starych modeli.
Krytyczność kwantowa – czyli materia na krawędzi
Żeby zrozumieć wagę odkrycia, trzeba wytłumaczyć prostym językiem jedno pojęcie: krytyczność kwantowa.
To stan, w którym materiał jest na granicy przejścia fazowego (np. zmiany własności magnetycznych czy przewodnictwa). Normalnie takie zmiany kojarzymy z temperaturą: lód topnieje, woda paruje itd.
Ale tutaj dzieje się coś innego:
- temperatura spada prawie do zera absolutnego
- przestaje dominować fizyka klasyczna
- zaczynają rządzić fluktuacje kwantowe
Inaczej mówiąc: elektron nie zachowuje się jak mała kulka, tylko jak fala, która potrafi wpływać na całą strukturę materiału.
To jest środowisko ekstremalne – ale za to idealne, by „wycisnąć” z materii coś, czego normalnie nie widać.
Topologia – czyli kwantowa ochrona przed chaosem
Teraz druga część układanki: topologia.
W fizyce topologicznej chodzi o to, że pewne właściwości materiału są „zapisane” w jego strukturze w taki sposób, że:
- nawet zakłócenia,
- kolizje elektronów,
- wady w krysztale,
…nie niszczą kluczowych cech przewodzenia.
To tak, jakby elektron miał „autostradę”, której nie da się łatwo zablokować.
I właśnie dlatego topologiczne materiały są tak obiecujące technologicznie: stabilność i niezawodność.
„To nie powinno istnieć”… a jednak istnieje
No i tu pojawia się ten zwrot akcji.
Wielu fizyków uważało, że gdy materiał wpada w krytyczność kwantową, robi się zbyt „niestabilny” i „rozmyty” elektronowo, by mogły przetrwać stany topologiczne.
A badanie pokazuje odwrotnie:
fluktuacje kwantowe nie niszczą topologii – one ją stabilizują.
To jest gigantyczna różnica.
Efekt Halla bez pola magnetycznego: sygnał, że dzieje się coś grubego
Najważniejszy dowód przyszedł z obserwacji tego, co badacze uznali za sygnaturę topologiczną.
Gdy schłodzili CeRu₄Sn₆ niemal do zera absolutnego i puścili przez niego prąd, zauważyli zjawisko podobne do efektu Halla – czyli prąd „skręcał” na bok.
Normalnie taki efekt wymaga pola magnetycznego.
Ale tutaj pola nie było.
To oznacza jedno:
to sam materiał narzucał elektronowi tor ruchu, jakby posiadał wbudowane „kwantowe drogowskazy”.
Silke Bühler-Paschen z Politechniki Wiedeńskiej podkreśla, że to była obserwacja rozstrzygająca: stary pogląd trzeba poprawić.
Co to daje w praktyce?
Okej – brzmi kosmicznie, ale co z tego wynika?
Jeśli naukowcy opanują takie stany i nauczą się je kontrolować, to mogą pojawić się materiały:
- stabilne kwantowo (odporne na zakłócenia)
- superczułe na zmiany kwantowe
- idealne do zastosowań w:
- elektronice nowej generacji
- czujnikach ultradokładnych
- potencjalnie także w elementach komputerów kwantowych
Najważniejsze: odkrycie otwiera klasę materiałów, których wcześniej nawet nie brano na serio, bo „nie miały prawa działać”.
Co dalej?
Badacze chcą teraz:
- sprawdzić, czy ten stan występuje też w innych materiałach
- określić, czy to zjawisko jest rzadkie, czy wręcz przeciwnie – powszechne
- dokładnie opisać warunki, które je uruchamiają
Jeśli się okaże, że można to wytwarzać „hurtowo”, to będzie to jeden z tych momentów w historii fizyki, kiedy od teorii przechodzi się do technologii.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Physics .