Przez ostatnie pięć lat środowisko fizyków materiałowych zmagało się z niezwykle intrygującą zagadką. Zastanawiali się, dlaczego słabe pola magnetyczne są w stanie tak skutecznie kontrolować przepływ prądu w metalach kagome – grupie materiałów kwantowych odkrytej około 2020 r. Ich zachowanie wydawało się przeczyć dotychczasowym zasadom fizyki.
Czytaj też: Jeden drobny ruch wywrócił fizykę do góry nogami. Ten przełom może uwolnić nas od rzadkich metali
Teraz badacze z japońskiego Nagoya University prawdopodobnie znaleźli odpowiedź na to pytanie. Ich najnowsze badania wyjaśniają mechanizm magnetycznego przełączania prądów pętlowych, co może całkowicie zmienić sposób projektowania przyszłych urządzeń elektronicznych. Wyniki tych prac ukazały się w czasopiśmie PNAS, otwierając drogę do technologii sterowanych polem magnetycznym.
Metale kagome rozszyfrowane
Struktura tych materiałów przypomina tradycyjny japoński splot bambusowy, co prowadzi do zjawiska zwanego frustracją geometryczną. Elektrony w takim układzie nie mogą się “zdecydować” na preferowany kierunek ruchu, co zmusza je do tworzenia skomplikowanych stanów kwantowych.
Czytaj też: Zastąpili najdroższy metal na Ziemi tanim zamiennikiem. Tankowanie wodoru może stać się tańsze niż benzyny
Prof. Hiroshi Kontani z Nagoya University mówi:
Za każdym razem, gdy widzieliśmy magnetyczne przełączanie, wiedzieliśmy, że dzieje się coś niezwykłego, ale nie potrafiliśmy wyjaśnić dlaczego.
W tych specyficznych warunkach elektrony zaczynają krążyć w mikroskopijnych pętlach, tworząc tzw. prądy pętlowe. Kiedy naukowcy przyłożą nawet bardzo słabe pole magnetyczne, kierunek tych prądów się odwraca – a wraz z nim zmienia się preferowany kierunek przepływu prądu przez cały materiał.
Najciekawszym aspektem całego zjawiska jest mechanizm wzmocnienia. Efekty geometrii kwantowej potęgują magnetyczne przełączanie około stukrotnie w porównaniu z konwencjonalnymi metalami. To tak, jakby metale kagome dysponowały wbudowanymi kwantowymi wzmacniaczami.
Prof. Hiroshi Kontani dodaje:
Metale kagome mają wbudowane wzmacniacze, które sprawiają, że efekty kwantowe są znacznie silniejsze niż w zwykłych metalach. Połączenie ich struktury krystalicznej i zachowania elektronowego pozwala im jednocześnie łamać pewne podstawowe zasady fizyki.
Ten fenomen wynika ze spontanicznego łamania symetrii – zjawiska wyjątkowo rzadko spotykanego w przyrodzie. Prądy pętlowe i fale gęstości ładunku współdziałają ze sobą, przełamując fundamentalne symetrie w strukturze elektronicznej materiału. Właśnie dlatego obserwowany efekt jest tak znaczący.
Aby zbadać te niezwykłe właściwości, naukowcy schładzają metale kagome do ekstremalnie niskich temperatur sięgających ok. -190oC. W takich warunkach materiał naturalnie rozwija stany kwantowe, w których elektrony tworzą charakterystyczne wzory krążących prądów.
Potencjalne zastosowania tego odkrycia mogą być naprawdę przełomowe. Magnetyczna kontrola właściwości elektrycznych otwiera możliwość tworzenia nowych typów magnetycznych urządzeń pamięci, ultraczułych czujników reagujących na minimalne zmiany pól magnetycznych oraz urządzeń elektronicznych sterowanych zwykłymi magnesami.
Profesor Kontani zwraca uwagę na znaczenie czasowego zbiegu różnych czynników:
To odkrycie miało miejsce, ponieważ trzy rzeczy zbiegły się w odpowiednim czasie: w końcu mieliśmy nowe materiały, zaawansowane teorie, aby je zrozumieć, i zaawansowany technologicznie sprzęt, aby je właściwie zbadać.
Odkrycie zespołu z Nagoi dostarcza fundamentalnego zrozumienia niezbędnego do rozwoju kolejnej generacji technologii kontrolowanej na poziomie kwantowym. Choć praktyczne wdrożenia mogą pojawić się dopiero za kilka lat, teoretyczne podstawy są już solidnie ugruntowane.