كشفت دراسة نشرت في مجلة Nature Communications أن الإلكترونات في خماسي تيلوريد الزركونيوم (ZrTe5) هي في الأساس المراهقون المتمردون في العالم الكمومي. عندما تتعرض لدرجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ومجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لجعل مغناطيس ثلاجتك يبكي، أظهرت هذه الجسيمات تذبذبات كمومية تتحدى التوقعات التقليدية.

البحث، بقيادة علماء من جامعة ساو باولو (USP) في البرازيل، ومختبر لوس ألاموس الوطني، وجامعة واشنطن، ومؤسسات أمريكية أخرى، جمع بين تجارب النقل الكهربائي في مجالات مغناطيسية تصل إلى 60 تسلا عند درجات حرارة حوالي 0.7 كلفن (-272.45 درجة مئوية) مع حسابات نظرية مفصلة. لأنه، كما تعلم، لماذا لا تدفع حدود الفيزياء بينما أنت في ذلك؟

"هذا العمل يوسع فهمنا لنقل الإلكترون في الأطوار الغريبة للمادة ويقترح أن العوازل الطوبولوجية تدعم نقل ليس فقط الشحنة الكهربائية، ولكن أيضًا درجة أخرى من الحرية الأساسية: دوران الإلكترون،" يقول خوليو لاريا خيمينيز، أستاذ في معهد الفيزياء بجامعة ساو باولو والمؤسس المشارك/مدير مختبر المادة الكمومية تحت الظروف القاسية.

لاريا كان المشرف على الدكتوراه لكاويه كوفمان ريبيرو، المؤلف الأول للدراسة، الذي قام بالكثير من العمل التجريبي خلال تدريب في المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي في لوس ألاموس، بدعم من تدريب بحثي في الخارج من FAPESP، وبإشراف مشترك من جوهانا بالمستروم وشون توماس.

العوازل الطوبولوجية هي الشواذ في علم المواد: دواخلها عوازل كهربائية، لكن أسطحها توصل الكهرباء. هذا بسبب طوبولوجيا نطاقاتها الإلكترونية، المحمية بتماثلات البلورة. ZrTe5 مميز بشكل خاص لأنه يقع بالقرب من الحدود بين أطوار طوبولوجية مختلفة، مما يعني أن تغييرات صغيرة في درجة الحرارة، أو التشوه الميكانيكي، أو التركيب الكيميائي، أو المجال المغناطيسي يمكن أن تغير سلوكه الإلكتروني بشكل كبير. إنه المكافئ الكمومي لفنان متقلب المزاج.

عندما تتحرك الإلكترونات عبر مجال مغناطيسي، تكون طاقاتها مقيدة بقيم منفصلة تسمى مستويات لانداو، نسبة إلى ليف لانداو (1908-1968). في المعادن النقية، يمكن لهذه المستويات أن تعبر مستوى فيرمي مرارًا وتكرارًا، مما ينتج تذبذبات في المقاومة الكهربائية تعرف بتذبذبات شوبنيكوف-دي هاس، والتي تتبع عادة نمطًا يمكن التنبؤ به في 1/B (حيث B هو المجال المغناطيسي). لكن ZrTe5 لم يستلم تلك المذكرة.

وجد الباحثون أن تذبذبات المقاومة المغناطيسية فيه لم تكن دورية تقليديًا في 1/B واستمرت بعد الحد الكمومي، حيث يجب أن تعلق الإلكترونات في أدنى مستوى لانداو وتختفي التذبذبات. بدلاً من ذلك، استمرت التذبذبات، مثل عادة سيئة.

"في المواد القريبة من التحولات الطوبولوجية، قد تتوقف الإلكترونات عن التصرف مثل الجسيمات العادية داخل المعدن،" يشرح كوفمان. "تبدأ إثاراتها الإلكترونية في التصرف مثل أشباه الجسيمات المشابهة لفيرميونات ديراك - جسيمات نسبوية. في عملنا، نظهر أن دوران هذه أشباه الجسيمات يلعب دورًا مركزيًا: عندما نطبق مجالات مغناطيسية قوية، فإن التفاعل بين الدوران والمجال المغناطيسي يغير بعمق مستويات طاقة الإلكترونات. ونتيجة لذلك، يمكن لمستويات لانداو التي عادة ما تبتعد عن الطاقة ذات الصلة بالنظام أن 'تعود' وتعبرها مرة أخرى. هذا السلوك غير المعتاد هو ما نسميه مستويات لانداو المتكررة."

لتفسير ذلك، يقترح الباحثون عملية تسمى "الانحناء الخلفي" لمستويات لانداو، حيث تنحني بعض المستويات نحو مستوى فيرمي وتعبره مرة أخرى، مما يولد تذبذبات إضافية في نظام حيث لا ينبغي أن توجد. يحدث هذا بسبب التفاعل بين طاقة السيكلوترون (من الحركة المدارية) وتأثير زيمان (اقتران الدوران بالمجال المغناطيسي)، واللذين متشابكان في مواد ذات تفاعل قوي بين المدار والدوران مثل ZrTe5.

كان أحد أهداف الدراسة هو تحديد ما إذا كانت التذبذبات الشاذة ناتجة عن تأثيرات الأجسام المتعددة (الجماعية)