W centrum zainteresowania znalazł się materiał oznaczany skomplikowaną formułą CeRu₄Sn₆. W ekstremalnie niskich temperaturach, bliskich zeru bezwzględnemu, zachowuje się on w sposób, który przez lata uważano za niemożliwy do zaistnienia w świetle obowiązujących paradygmatów. Odkrycie zupełnie nowej kategorii stanu materii w tym związku rzuca nowe światło na to, czym w ogóle są stany topologiczne. To nie jest drobna korekta, a raczej zaproszenie do przemyślenia podstaw.
Elektrony tracą swoją tożsamość. CeRu₄Sn₆ przeczy klasycznym modelom
Klucz do zrozumienia niezwykłości CeRu₄Sn₆ leży w pojęciu krytyczności kwantowej. Gdy materiał schłodzi się poniżej jednego kelwina, wpada w stan nieustannych, gwałtownych fluktuacji. Przestaje być stabilny, oscylując między dwiema różnymi formami istnienia, jak gdyby nie mógł się zdecydować. W tym reżimie tradycyjny obraz elektronów jako małych, wyraźnie zdefiniowanych cząstek po prostu przestaje mieć zastosowanie. One niejako rozmywają się, tracąc swoje indywidualne cechy.
Czytaj także: Stworzono nowy stan materii. Fizycy nigdy czegoś takiego nie widzieli
Prof. Silke Bühler-Paschen z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) wyjaśnia, że „klasyczny model elektronów jako cząstek jest zaskakująco odporny i działa nawet w złożonych materiałach, gdzie elektrony silnie ze sobą oddziałują. Ale w przypadku CeRu₄Sn₆ ten model zawodzi”. Diana Kirschbaum, współautorka pracy, podkreśla pozorny paradoks: „materiał nie ma dobrze zdefiniowanych prędkości i energii charakterystycznych dla cząstek, a mimo to proste teorie przewidywały w nim cechy topologiczne”. To trochę jak odkrycie, że coś może być czerwone, nie mając konkretnego koloru.
Fluktuacje kwantowe i topologia. Nieoczekiwane połączenie w nowym stanie materii
Mimo braku stabilnych cząstek, w materiale zaobserwowano wyraźną sygnaturę własności topologicznych – tak zwany anomalny efekt Halla. Najciekawsze jest jednak to, że siła tego efektu była największa dokładnie w tym miejscu, gdzie fluktuacje kwantowe osiągały swoje maksimum. Kiedy naukowcy próbowali stłumić te fluktuacje, stosując zewnętrzne ciśnienie lub pole magnetyczne, efekt topologiczny znikał. To fundamentalne spostrzeżenie.
Dotychczas sądzono, że własności topologiczne – te, które są odporne na małe zakłócenia, podobnie jak dziurka w pączku przetrwa jego lekkie odkształcenie – wymagają istnienia stabilnych, cząstkopodobnych excitacji. Tutaj jest dokładnie na odwrót. To właśnie chaos i nieokreśloność fluktuacji kwantowych wydają się być źródłem uporządkowanej topologicznej sygnatury. Matematyczna abstrakcja znajduje odzwierciedlenie w fizycznym, choć bardzo nieintuicyjnym, zachowaniu materii.
Nowy kierunek poszukiwań. Dlaczego materiały krytyczne kwantowo są kluczowe
Odkrycie to nie tylko ciekawostka teoretyczna. Przede wszystkim wskazuje nową, bardzo konkretną strategię dla fizyków poszukujących materiałów o pożądanych własnościach. Zamiast żmudnie przeglądać tysiące związków, można skupić się na znanej już klasie materiałów wykazujących krytyczność kwantową. Współpraca zespołu z badaczami z Rice University zaowocowała stworzeniem modelu teoretycznego, który łączy te dwa zjawiska.
Czytaj także: Czwarty stan materii ujawnia swoje sekrety. Koreańscy fizycy dokonali historycznego odkrycia
Nowo odkrytą kategorię nazwano emergentnym stanem topologicznym. Sugeruje to, że sama definicja stanów topologicznych musi zostać poszerzona. Nie są one już przywilejem wyłącznie uporządkowanych układów z dobrze zdefiniowanymi quasi-cząstkami. Mogą wyłaniać się z pozornego chaosu, co jest zupełnym odwróceniem dotychczasowego myślenia.
Perspektywy dla technologii, zwłaszcza informatyki kwantowej i precyzyjnych czujników, rysują się teraz w innym świetle. Należy jednak zachować umiarkowany optymizm. Od fundamentalnego odkrycia w laboratorium do praktycznego zastosowania w urządzeniu droga jest zwykle długa i kręta. Niemniej, otwarcie nowego, dobrze zdefiniowanego frontu poszukiwań to ogromna wartość sama w sobie. Może to znacząco przyspieszyć prace nad materiałami przyszłości, nawet jeśli ta przyszłość jest odrobinę bardziej odległa, niż chcielibyśmy wierzyć.