Oscylacje kwantowe to jedno z tych zjawisk, które przez dekady stanowiły podręcznikowy przykład porządku w świecie fizyki. W metalach, gdzie elektrony poruszają się swobodnie niczym sprężyny w polu magnetycznym, ich drgania układają się w regularny rytm. Zmieniają częstotliwość, gdy rośnie lub maleje natężenie pola, a fizycy potrafią przewidzieć te zmiany z matematyczną precyzją. To zjawisko od dawna służyło do badania struktury elektronowej metali i półprzewodników, stanowiąc narzędzie diagnostyczne o niemal laboratoryjnej elegancji.
Czytaj też: Fizycy kwestionują zasadę Carnota. Silniki kwantowe pokonują klasyczne
Prawdziwe zaskoczenie przyszło jednak wtedy, gdy podobne oscylacje dostrzeżono tam, gdzie nie powinno ich być – w izolatorach. Materiały te, pozbawione swobodnych elektronów, z definicji nie przewodzą prądu ani ciepła, a więc nie powinny wykazywać żadnych efektów typowych dla metali. A jednak drgania pojawiły się, jakby materia złamała własne zasady. Wyobraźmy sobie kamień, który nagle zaczyna zachowywać się jak miedź – mniej więcej tak niepojęty wydaje się ten efekt.
Skąd naprawdę biorą się oscylacje kwantowe?
Przez lata fizycy spierali się o źródło tych nieoczekiwanych oscylacji. Czy pochodzą z powierzchni materiału, czy może z jego wnętrza? Odpowiedź na to pytanie ma fundamentalne znaczenie. Gdyby okazało się, że chodzi o powierzchnię, mogłoby to znaleźć zastosowanie w izolatorach topologicznych – materiałach przyszłości dla elektroniki, optyki i technologii kwantowych.
Czytaj też: Koniec ery teoretycznych spekulacji o supremacji kwantowej. Naukowcy przedstawili niepodważalne dowody
Zespół prof. Lu Li z Uniwersytetu Michigan, współpracujący z National Magnetic Field Laboratory – najpotężniejszym na świecie ośrodkiem badań magnetycznych – dostarczył przekonujących dowodów, że w przypadku borku iterbu (YbB12) oscylacje kwantowe pochodzą z wnętrza materiału. Badania opublikowane w Physical Review Letters jednoznacznie wskazują na wewnętrzny charakter zjawiska.
Naukowcy mówią o nowym rodzaju dualności – zdolności materiałów do równoczesnego zachowywania się jak przewodniki i izolatory. W przypadku YbB12 ten niezwykły efekt ujawnia się tylko w ekstremalnych warunkach. Materiał zaczyna wykazywać metaliczne właściwości dopiero przy polu magnetycznym o sile 35 tesli, co stanowi około 35 razy więcej niż w typowym aparacie do rezonansu magnetycznego. Tak wygórowane wymagania sprawiają, że odkrycie pozostaje na razie w sferze czysto akademickiej.
Okazuje się, że dotychczasowy obraz izolatora z przewodzącą powierzchnią, który mógłby znaleźć zastosowanie w elektronice, jest kompletnie błędny. Cały materiał zachowuje się jak metal, mimo że formalnie pozostaje izolatorem. To fundamentalne odkrycie zmienia sposób myślenia o właściwościach materiałów.
Yuan Zhu z zespołu zaznacza, że potwierdzenie wewnętrznego pochodzenia oscylacji to ważny krok naprzód. Naukowcy wciąż nie wiedzą, jakie neutralne cząstki odpowiadają za obserwowane zjawisko. Mają jednak nadzieję, że ich odkrycie zmotywuje innych badaczy do dalszych eksperymentów i prac teoretycznych.