Μερικές φορές, οι πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις δεν υπόσχονται καμία τεχνολογική επανάσταση, απλώς μας θυμίζουν πόσο απρόβλεπτο είναι το Σύμπαν. Ο φυσικός Lu Li από το University of Michigan, μαζί με μια διεθνή ομάδα ερευνητών, βρέθηκε πρόσφατα αντιμέτωπος με ένα τέτοιο παράδοξο: ένα φαινόμενο που μοιάζει να παραβιάζει τους θεμελιώδεις κανόνες της φυσικής.
Η ομάδα του Li ανακάλυψε κβαντικές ταλαντώσεις μέσα σε ένα υλικό που είναι, θεωρητικά, απολύτως μονωτικό, δηλαδή δεν επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα. Η μελέτη έδειξε ότι αυτές οι ταλαντώσεις προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού (το λεγόμενο bulk) και όχι από την επιφάνειά του, όπως πίστευαν μέχρι τώρα οι επιστήμονες. Το εύρημα όχι μόνο ανατρέπει δεκαετίες θεωρητικών παραδοχών, αλλά ανοίγει και έναν νέο δρόμο στη φυσική των στερεών, έναν δρόμο όπου ένα υλικό μπορεί να είναι ταυτόχρονα μέταλλο και μονωτής.
Οι κβαντικές ταλαντώσεις είναι ένα φαινόμενο που συνήθως εμφανίζεται στα μέταλλα. Εκεί, τα ηλεκτρόνια κινούνται σαν μικροσκοπικά ελατήρια που πάλλονται κάτω από την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Αλλάζοντας τη δύναμη του πεδίου, οι επιστήμονες μπορούν να παρατηρήσουν πώς μεταβάλλεται αυτή η «συχνότητα» των ηλεκτρονίων. Το φαινόμενο αυτό έχει αποτελέσει θεμέλιο για την κατανόηση της αγωγιμότητας και της δομής των μετάλλων.
Το παράδοξο ξεκινά όταν παρόμοιες ταλαντώσεις παρατηρούνται σε μονωτές, υλικά που υποτίθεται ότι δεν διαθέτουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Πώς μπορεί ένα υλικό που «δεν άγει» μπορεί να συμπεριφέρεται σαν μέταλλο; Μέχρι πρόσφατα, η επικρατούσα εξήγηση ήταν ότι οι ταλαντώσεις αυτές προέρχονται από την επιφάνειά του, και όχι από το εσωτερικό του. Ιδιαίτερα στους τυπολογικούς μονωτές, είναι γνωστό ότι η επιφάνειά τους μπορεί να άγει ηλεκτρισμό ενώ το εσωτερικό τους παραμένει απολύτως μονωτικό.
Για να ελέγξει αυτή την υπόθεση, ο Li και η ομάδα του κατευθύνθηκαν στο National Magnetic Field Laboratory, όπου βρίσκονται μερικοί από τους ισχυρότερους μαγνήτες στον κόσμο. Εκεί, υπέβαλαν το υλικό βορίδιο του υττερβίου (YbB12) σε μαγνητικά πεδία έως και 35 Tesla, περίπου 35 φορές ισχυρότερα από αυτά που χρησιμοποιούνται σε ιατρικούς μαγνητικούς τομογράφους. Το αποτέλεσμα τους άφησε άφωνους: οι ταλαντώσεις προέρχονταν πράγματι από το εσωτερικό του υλικού, και όχι από την επιφάνειά του.
Ο Li περιγράφει το εύρημα ως ένα είδος νέας δυαδικότητας. Τον 20ό αιώνα, η πρώτη μεγάλη δυαδικότητα άλλαξε για πάντα τη φυσική: η ανακάλυψη ότι το φως και η ύλη μπορούν να συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως σωματίδια και κύματα. Αυτή η κατανόηση οδήγησε σε τεχνολογίες όπως τα φωτοβολταϊκά και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια.
Η νέα δυαδικότητα, σύμφωνα με τον Li, αφορά τα ίδια τα υλικά που φαίνεται να μπορούν να υπάρχουν σε δύο αντικρουόμενες καταστάσεις: να είναι μονωτές και αγωγοί ταυτόχρονα. Το βορίδιο του υττερβίου, κάτω από ακραίες συνθήκες μαγνητικού πεδίου, φαίνεται να μεταβαίνει σε μια παράδοξη κατάσταση όπου το εσωτερικό του συμπεριφέρεται σαν μέταλλο, παρά το ότι σε κανονικές συνθήκες είναι πλήρως μονωτικό.
Η ανακάλυψη αυτή δεν έχει ακόμη πρακτικές εφαρμογές, τουλάχιστον όχι στο άμεσο μέλλον. Όμως για τους ερευνητές, η αξία της βρίσκεται αλλού: στο ότι αποκαλύπτει ένα κομμάτι της φύσης που δεν γνωρίζαμε καν ότι υπήρχε. Ίσως αυτή η «παράξενη» ιδιότητα των υλικών να οδηγήσει σε μια νέα κατανόηση της κβαντικής φυσικής και, ενδεχομένως να αποτελέσει τη βάση μιας μελλοντικής τεχνολογικής επανάστασης.
[source]
