Μια νέα ανακάλυψη στην κβαντική φυσική φέρνει επανάσταση στην κατανόηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, καθώς ερευνητές στην Ιαπωνία αποκάλυψαν τον τρόπο με τον οποίο αδύναμα μαγνητικά πεδία μπορούν να αντιστρέψουν μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα σε μεταλλικά υλικά γνωστά ως kagome metals.
Αυτά τα κβαντικά μέταλλα διαθέτουν ένα ιδιαίτερο πλέγμα ατόμων, το οποίο δημιουργεί μια «γεωμετρική αναστάτωση», αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια να σχηματίζουν πολύπλοκα μοτίβα και κυκλικές ροές, οι οποίες αλληλεπιδρούν για να παράγουν ασυνήθιστες ηλεκτρικές συμπεριφορές. Η νέα μελέτη δείχνει ότι οι αντιστροφές αυτές ενισχύουν την ασυμμετρία της αγωγιμότητας μέχρι και 100 φορές περισσότερο από ό,τι αναμενόταν, δημιουργώντας ένα εντυπωσιακό διοδοειδές φαινόμενο.
Τα kagome metals ονομάζονται έτσι από το παραδοσιακό ιαπωνικό μοτίβο "kagome", που παραπέμπει σε πλέγμα από μπαμπού με τριγωνικά μοτίβα. Η μοναδική αυτή διάταξη ατόμων οδηγεί σε αυτήν την γεωμετρική αναστάτωση: τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να οργανωθούν σε απλά και τακτικά μοτίβα και καταλήγουν σε σύνθετες κβαντικές καταστάσεις, σχηματίζοντας τις κυκλικές ροές. Όταν αυτές οι ροές αλλάζουν κατεύθυνση, οι μακροσκοπικές ηλεκτρικές ιδιότητες του μετάλλου μεταβάλλονται, αναστρέφοντας τη διεύθυνση προτίμησης της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος.
Η ομάδα του Nagoya University, με επικεφαλής τον Hiroshi Kontani, έδειξε ότι οι ροές αυτές και τα κυματοειδή μοτίβα ηλεκτρονίων, γνωστά ως κύματα πυκνότητας φορτίου, συνεργάζονται για να σπάσουν βασικές συμμετρίες στη δομή του μετάλλου, φαινόμενο που αναφέρεται ως «αυτόματη θραύση συμμετρίας». Επιπλέον, οι κβαντικές γεωμετρικές ιδιότητες του kagome μετάλλου ενισχύουν την επίδραση της αντιστροφής περίπου 100 φορές, εξηγώντας γιατί το φαινόμενο είναι τόσο ισχυρό και πρωτοφανές για φυσικά υλικά.
Για να παρατηρήσουν αυτό το φαινόμενο, οι ερευνητές έψυξαν τα μέταλλα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, περίπου -190°C. Σε αυτές τις συνθήκες, τα ηλεκτρόνια οργανώνονται σε κυκλικές ροές και δημιουργούν κυματοειδή μοτίβα μέσα στο υλικό. Όταν εφαρμόζεται ένα αδύναμο μαγνητικό πεδίο, οι κυκλικές ροές αντιστρέφονται, αλλάζοντας την προτίμηση κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και ενεργοποιώντας το διοδοειδές αποτέλεσμα.
Η ανακάλυψη αυτή ήταν εφικτή μόλις πρόσφατα, καθώς τα kagome metals ανακαλύφθηκαν γύρω στο 2020. Αν και το φαινόμενο της μαγνητικής αντιστροφής είχε παρατηρηθεί πειραματικά, κανείς δεν μπορούσε να το εξηγήσει μέχρι σήμερα. Οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις που εμπλέκονται είναι ιδιαίτερα σύνθετες και απαιτούν προηγμένη κατανόηση της σχέσης μεταξύ κυκλικών ροών, κβαντικής γεωμετρίας και μαγνητικών πεδίων, καθώς και υψηλή ευαισθησία σε ακαθαρσίες ή μηχανικές παραμορφώσεις.
Ο Kontani επισημαίνει ότι η σύγκλιση τριών παραγόντων έκανε δυνατή αυτή τη θεμελιώδη ανακάλυψη: η ύπαρξη νέων υλικών, οι εξελιγμένες θεωρίες για την κατανόησή τους και ο προηγμένος εξοπλισμός για τη μελέτη τους. Κανένας από αυτούς τους παράγοντες δεν υπήρχε ταυτόχρονα πριν από μερικά χρόνια, γεγονός που εξηγεί γιατί το μυστήριο δεν είχε λυθεί νωρίτερα.
Η ανακάλυψη ανοίγει το δρόμο για νέα είδη ηλεκτρονικών συσκευών που θα μπορούν να ελέγχονται με απλά μαγνητικά πεδία, από μαγνητική μνήμη έως εξαιρετικά ευαίσθητους αισθητήρες. Το project αυτό παρέχει την θεωρητική βάση για την ανάπτυξη της επόμενης γενιάς τεχνολογιών που θα χρησιμοποιούν τον κβαντικό έλεγχο, αξιοποιώντας την μοναδική συμπεριφορά των kagome metals.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences και θεωρείται ορόσημο στην κατανόηση των κβαντικών υλικών και των απρόβλεπτων τρόπων με τους οποίους μπορούν να αλλάξουν τους κανόνες της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
[via]
