Ιάπωνες ερευνητές αποκάλυψαν πώς τα ασθενή μαγνητικά πεδία μπορούν να ελέγξουν άμεσα την κατεύθυνση της ηλεκτρικής ροής σε κβαντικά μέταλλα. Τα κβαντικά μέταλλα είναι υλικά στα οποία τα κβαντικά φαινόμενα –που συνήθως περιορίζονται σε ατομική κλίμακα– γίνονται τόσο ισχυρά ώστε να επηρεάζουν τη μακροσκοπική ηλεκτρική τους συμπεριφορά.
Μια ομάδα ερευνητών στην Ιαπωνία ανακάλυψε τώρα πώς λειτουργεί ο ηλεκτρισμός σε έναν ιδιαίτερο τύπο κβαντικού μετάλλου που ονομάζεται kagome. Η εργασία τους είναι η πρώτη που δείχνει ότι τα ασθενή μαγνητικά πεδία μπορούν να «αναστρέψουν» τα αντιστρέψουν μικροσκοπικά κυκλοφορούντα ηλεκτρικά ρεύματα μέσα σε αυτά τα υλικά.
Όταν συμβαίνει αυτή η αντιστροφή, μεταβάλλει τις συνολικές ηλεκτρικές ιδιότητες του μετάλλου και αλλάζει την προτιμώμενη κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως «φαινόμενο της διόδου», σημαίνει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να περνά ευκολότερα προς μία κατεύθυνση από ό,τι προς την άλλη.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν επίσης ότι τα κβαντικά γεωμετρικά φαινόμενα ενισχύουν αυτή τη διαδικασία αλλαγής σχεδόν κατά 100 φορές. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences, θέτει τις θεωρητικές βάσεις για μελλοντικές ηλεκτρονικές τεχνολογίες που θα μπορούν να ελέγχονται μέσω απλών μαγνητικών πεδίων.
Αν και ασυνήθιστες μαγνητικές μεταβολές σε μέταλλα kagome είχαν παρατηρηθεί σε πειράματα ήδη από το 2020, η αιτία και η απροσδόκητη ισχύς τους παρέμεναν μυστήριο. Αυτή η έρευνα δίνει την πρώτη θεωρητική εξήγηση και για τα δύο.
Τα μέταλλα kagome
Το όνομα «kagome» προέρχεται από την ιαπωνική λέξη kagome, που σημαίνει «μάτια καλαθιού» ή «σχέδιο καλαθιού» και αναφέρεται σε μια παραδοσιακή τεχνική ύφανσης από μπαμπού, η οποία δημιουργεί αλληλοσυνδεόμενα τριγωνικά σχέδια.
Αυτά τα μέταλλα είναι ξεχωριστά επειδή τα άτομά τους είναι διατεταγμένα σε αυτό το μοναδικό πλέγμα τύπου «καλαθιού», το οποίο δημιουργεί αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν «γεωμετρική απογοήτευση».- τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να σταθεροποιηθούν σε απλά, οργανωμένα μοτίβα και αναγκάζονται να υιοθετήσουν πιο πολύπλοκες κβαντικές καταστάσεις που περιλαμβάνουν κυκλικά ρεύματα. Όταν τα κυκλικά αυτά ρεύματα μέσα στα μέταλλα αλλάζουν κατεύθυνση, μεταβάλλεται και η ηλεκτρική συμπεριφορά του μετάλλου.
Η ερευνητική ομάδα έδειξε ότι τα κυκλικά ρεύματα και τα κυματοειδή μοτίβα ηλεκτρονίων (γνωστά ως charge density waves) συνεργάζονται ώστε να «σπάνε» θεμελιώδεις συμμετρίες στη δομή των ηλεκτρονίων. Ανακάλυψαν επίσης ότι τα κβαντικά γεωμετρικά φαινόμενα —μοναδικές συμπεριφορές που εμφανίζονται μόνο στις μικρότερες κλίμακες της ύλης— ενισχύουν σημαντικά το φαινόμενο αλλαγής κατεύθυνσης.
«Κάθε φορά που παρατηρούσαμε αυτή τη μαγνητική εναλλαγή, ξέραμε ότι συνέβαινε κάτι εξαιρετικό, αλλά δεν μπορούσαμε να εξηγήσουμε το γιατί», εξήγησε o Hiroshi Kontani, επικεφαλής συγγραφέας και καθηγητής στη Σχολή Επιστημών του Πανεπιστημίου Nagoya.
«Τα μέταλλα kagome διαθέτουν ενσωματωμένους “ενισχυτές” που κάνουν τα κβαντικά φαινόμενα πολύ ισχυρότερα από ό,τι στα συνηθισμένα μέταλλα. Ο συνδυασμός της κρυσταλλικής τους δομής και της ηλεκτρονικής τους συμπεριφοράς τους επιτρέπει να παραβιάζουν ταυτόχρονα ορισμένους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής – ένα φαινόμενο γνωστό ως αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας. Αυτό είναι εξαιρετικά σπάνιο στη φύση και εξηγεί γιατί το φαινόμενο είναι τόσο ισχυρό.»
Η ερευνητική μέθοδος περιελάμβανε την ψύξη των μετάλλων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, περίπου -190°C. Σε αυτή τη θερμοκρασία, το μέταλλο kagome αναπτύσσει φυσικά κβαντικές καταστάσεις όπου τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν κυκλικά ρεύματα και κυματοειδή μοτίβα σε όλη τη δομή του υλικού. Όταν οι επιστήμονες εφαρμόζουν ασθενή μαγνητικά πεδία, αντιστρέφεται η κατεύθυνση περιστροφής αυτών των ρευμάτων, και ως αποτέλεσμα αλλάζει και η προτιμώμενη κατεύθυνση ροής του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στο μέταλλο.
Τα νέα υλικά συναντούν τη νέα θεωρία
Η πρωτοπορία αυτή στην κβαντική φυσική, ήταν μέχρι πρόσφατα αδύνατη επειδή τα μέταλλα kagome ανακαλύφθηκαν μόλις γύρω στο 2020. Ενώ οι επιστήμονες παρατήρησαν γρήγορα το μυστηριώδες φαινόμενο της ηλεκτρικής αλλαγής της κατάστασης στα πειράματα, δεν μπορούσαν να εξηγήσουν πώς συμβαίνει.
Οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις που εμπλέκονται είναι εξαιρετικά περίπλοκες και απαιτούν προχωρημένη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα κυκλικά ρεύματα, η κβαντική γεωμετρία και τα μαγνητικά πεδία συνεργάζονται — γνώση που έχει αναπτυχθεί μόλις τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα φαινόμενα είναι επίσης πολύ ευαίσθητα σε προσμείξεις, μηχανική πίεση και εξωτερικές συνθήκες, γεγονός που τα καθιστά δύσκολα στη μελέτη τους.
«Η ανακάλυψη οφείλεται στον συγχρονισμό τριών πραγμάτων: Αποκτήσαμε τα υλικά, τις προηγμένες θεωρίες για να τα καταλάβουμε και τον υψηλής τεχνολογίας εξοπλισμό για να τα μελετήσουμε σωστά. Τίποτα από τα παραπάνω δεν υπήρχε μέχρι πρόσφατα, γι’ αυτό μέχρι στιγμής κανείς δεν είχε λύσει το παζλ», συμπλήρωσε ο καθηγητής Kontani.
«Ο μαγνητικός έλεγχος των ηλεκτρικών ιδιοτήτων σε αυτά τα μέταλλα θα μπορούσε δυνητικά να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τύπων μαγνητικών συσκευών μνήμης ή εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων. Η μελέτη μας παρέχει τη θεμελιώδη κατανόηση που απαιτείται για να ξεκινήσει η ανάπτυξη της επόμενης γενιάς τεχνολογιών ελεγχόμενων μέσω κβαντικών φαινομένων», δήλωσε.
