Μέχρι σήμερα, η Φυσική Στερεάς Κατάστασης στηριζόταν σε μια θεμελιώδη παραδοχή: όσο περίπλοκη κι αν είναι η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μέταλλο, μπορούμε πάντα να τα περιγράψουμε ως «οιονεί σωματίδια» (quasiparticles). Είναι μικρές οντότητες που μεταφέρουν φορτίο και κινούνται προβλέψιμα. Τι συμβαίνει όμως όταν αυτή η εικόνα καταρρέει πλήρως, αλλά η ύλη συνεχίζει να συμπεριφέρεται οργανωμένα;
Μια ερευνητική ομάδα από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης (TU Wien), σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Rice του Τέξας, έδωσε την απάντηση, ανατρέποντας δεκαετίες θεωρητικών βεβαιοτήτων. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν την ανακάλυψη μιας νέας κατάστασης της ύλης στο υλικό CeRu4Sn6 (ένωση δημητρίου, ρουθηνίου και κασσιτέρου), η οποία συνδυάζει δύο φαινομενικά ασυμβίβαστες έννοιες: την «κβαντική κρισιμότητα» και την «τοπολογία».
Το τέλος της «εικόνας του σωματιδίου»
Για να κατανοήσουμε το μέγεθος της ανακάλυψης, πρέπει να κοιτάξουμε πώς συμπεριφέρεται το ηλεκτρικό ρεύμα. Συνήθως, φανταζόμαστε τα ηλεκτρόνια να τρέχουν μέσα στο καλώδιο σαν μικρές μπάλες που συγκρούονται. Ακόμη και στις πιο εξωτικές καταστάσεις, όπως αυτές που βραβεύτηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 2016 (τοπολογικές φάσεις), οι φυσικοί εξακολουθούσαν να χρησιμοποιούν το μοντέλο του «σωματιδίου» για να εξηγήσουν τα φαινόμενα.
Η καθηγήτρια Silke Bühler-Paschen από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης του TU Wien, η οποία ηγήθηκε της έρευνας, εξηγεί πως αυτό το μοντέλο είναι εκπληκτικά ανθεκτικό. «Λειτουργεί ακόμη και σε πολύπλοκα υλικά όπου τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους», αναφέρει. Ωστόσο, στο πείραμα με το CeRu4Sn6, το μοντέλο αυτό απέτυχε παταγωδώς.
Σε συνθήκες εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, κοντά στο απόλυτο μηδέν, το υλικό εισέρχεται σε μια φάση «κβαντικής κρισιμότητας». Εδώ, τα ηλεκτρόνια παύουν να συμπεριφέρονται ως διακριτά σωματίδια. Αντίθετα, το σύστημα αμφιταλαντεύεται συνεχώς ανάμεσα σε δύο διαφορετικές καταστάσεις, σαν να μην μπορεί να αποφασίσει ποια μορφή θα πάρει. Σε αυτό το χάος, η έννοια του ηλεκτρονίου ως «μπαλάκι» που έχει συγκεκριμένη θέση και ταχύτητα εξαφανίζεται.
Η τοπολογική έκπληξη
Εδώ ακριβώς εντοπίζεται το παράδοξο που εξέπληξε την επιστημονική κοινότητα. Η θεωρία προέβλεπε ότι χωρίς σαφή σωματίδια, δεν θα μπορούσαν να υπάρξουν τοπολογικές ιδιότητες. Οι τοπολογικές καταστάσεις είναι εξαιρετικά σταθερές δομές που προστατεύουν την πληροφορία και το ρεύμα από διαταραχές, κάτι ιδιαίτερα κρίσιμο για τους μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Κι όμως, η Diana Kirschbaum, κύρια συγγραφέας της μελέτης, παρατήρησε το αντίθετο. Παρά την κατάρρευση της σωματιδιακής εικόνας, το υλικό εμφάνισε ένα ισχυρό «Ανώμαλο φαινόμενο Hall» (Anomalous Hall Effect), μια ξεκάθαρη υπογραφή τοπολογικής τάξης.
Είναι σαν να βλέπουμε τα κύματα μιας θάλασσας να κινούνται τέλεια σχηματισμένα, παρόλο που το ίδιο το νερό έχει εξατμιστεί. Το πείραμα απέδειξε ότι οι τοπολογικές καταστάσεις είναι πολύ πιο θεμελιώδεις και ανθεκτικές από ό,τι πιστεύαμε. Μπορούν να επιβιώσουν ακόμη και όταν η ύλη βρίσκεται σε πλήρη κβαντική σύγχυση.
Γιατί αυτό αλλάζει τα δεδομένα στην τεχνολογία
Η ανακάλυψη δεν έχει μόνο θεωρητική αξία. Μέχρι σήμερα, η αναζήτηση υλικών για κβαντικούς υπολογιστές και ηλεκτρονικά μηδενικής αντίστασης επικεντρωνόταν σε συγκεκριμένες κατηγορίες κρυστάλλων. Η εργασία του TU Wien δείχνει ότι πρέπει να διευρύνουμε την αναζήτηση στα λεγόμενα «κβαντικά κρίσιμα» υλικά.
Ουσιαστικά, οι ερευνητές βρήκαν έναν νέο χάρτη θησαυρού. Υλικά που μέχρι χθες θεωρούνταν ακατάλληλα ή «πολύ χαοτικά» για τεχνολογικές εφαρμογές, τώρα αποδεικνύεται ότι μπορεί να κρύβουν εξαιρετικά σταθερές ιδιότητες, ιδανικές για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας.
Το «παντρεμα» των αντιθέτων
Το σημαντικότερο συμπέρασμα της έρευνας είναι η γεφύρωση δύο κόσμων. Από τη μια, η κβαντική κρισιμότητα (συνώνυμο της αστάθειας και της αβεβαιότητας) και από την άλλη η τοπολογία (συνώνυμο της σταθερότητας και της τάξης). Η συνύπαρξή τους στο CeRu4Sn6 αποδεικνύει ότι η φύση έχει ακόμη κρυμμένους άσους στο μανίκι της, που ξεφεύγουν από την απλή λογική των σχολικών εγχειριδίων.
Καθώς η επιστημονική κοινότητα αφομοιώνει τα νέα δεδομένα, είναι βέβαιο ότι θα ακολουθήσει ένας αγώνας δρόμου για τον εντοπισμό κι άλλων τέτοιων υλικών.
