नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित एक अध्ययन से पता चला है कि ज़िरकोनियम पेंटाटेल्यूराइड (ZrTe5) में इलेक्ट्रॉन क्वांटम दुनिया के विद्रोही किशोर हैं। जब उन्हें परम शून्य के करीब तापमान और इतने शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों के अधीन किया जाता है कि आपके फ्रिज के चुंबक रोने लगें, तो ये कण पारंपरिक अपेक्षाओं को धता बताते हुए क्वांटम दोलन प्रदर्शित करते हैं।

यह शोध, ब्राजील में साओ पाउलो विश्वविद्यालय (USP), लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी, वाशिंगटन विश्वविद्यालय और अन्य अमेरिकी संस्थानों के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में किया गया, जिसमें 60 टेस्ला तक के चुंबकीय क्षेत्रों में 0.7 केल्विन (-272.45 डिग्री सेल्सियस) के तापमान पर विद्युत परिवहन प्रयोगों को विस्तृत सैद्धांतिक गणनाओं के साथ जोड़ा गया। क्योंकि, आप जानते हैं, जब आप भौतिकी की सीमाओं को धकेल रहे हों तो क्यों नहीं?

"यह कार्य पदार्थ के विदेशी चरणों में इलेक्ट्रॉन परिवहन की हमारी समझ का विस्तार करता है और सुझाव देता है कि टोपोलॉजिकल इंसुलेटर न केवल विद्युत आवेश के परिवहन का समर्थन करते हैं, बल्कि एक और मौलिक स्वतंत्रता की डिग्री: इलेक्ट्रॉन स्पिन का भी समर्थन करते हैं," USP के भौतिकी संस्थान के प्रोफेसर और चरम परिस्थितियों में क्वांटम मैटर के लिए प्रयोगशाला के सह-संस्थापक/निदेशक जूलियो लारिया जिमेनेज़ कहते हैं।

लारिया ने अध्ययन के पहले लेखक काउए कॉफमैन रिबेरो के डॉक्टरेट सलाहकार के रूप में कार्य किया, जिन्होंने लॉस एलामोस में राष्ट्रीय उच्च चुंबकीय क्षेत्र प्रयोगशाला में इंटर्नशिप के दौरान अधिकांश प्रयोगात्मक कार्य किया, जो FAPESP रिसर्च इंटर्नशिप विदेश द्वारा समर्थित था, और जोहाना पामस्ट्रॉम और सीन थॉमस द्वारा सह-परामर्शित था।

टोपोलॉजिकल इंसुलेटर सामग्री विज्ञान के विचित्र हैं: उनके आंतरिक भाग विद्युत इंसुलेटर होते हैं, लेकिन उनकी सतह बिजली का संचालन करती है। यह उनके इलेक्ट्रॉनिक बैंड की टोपोलॉजी के कारण होता है, जो क्रिस्टल समरूपता द्वारा संरक्षित होते हैं। ZrTe5 विशेष रूप से विशेष है क्योंकि यह विभिन्न टोपोलॉजिकल चरणों के बीच की सीमा के पास स्थित है, जिसका अर्थ है कि तापमान, यांत्रिक विरूपण, रासायनिक संरचना या चुंबकीय क्षेत्र में छोटे परिवर्तन इसके इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार को नाटकीय रूप से बदल सकते हैं। यह एक मूडी कलाकार के क्वांटम समकक्ष है।

जब इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र से गुजरते हैं, तो उनकी ऊर्जा लैंडौ स्तर नामक असतत मूल्यों तक सीमित होती है, जिसका नाम लेव लैंडौ (1908-1968) के नाम पर रखा गया है। शुद्ध धातुओं में, ये स्तर बार-बार फर्मी स्तर को पार कर सकते हैं, जिससे विद्युत प्रतिरोध में दोलन उत्पन्न होते हैं जिन्हें शुबनिकोव-डी हास दोलन कहा जाता है, जो सामान्य रूप से 1/B (B चुंबकीय क्षेत्र है) में एक पूर्वानुमानित पैटर्न का पालन करते हैं। लेकिन ZrTe5 को वह ज्ञापन नहीं मिला।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इसके चुंबकीय प्रतिरोध दोलन पारंपरिक रूप से 1/B में आवधिक नहीं थे और क्वांटम सीमा से परे भी जारी रहे, जहां इलेक्ट्रॉनों को सबसे कम लैंडौ स्तर में फंस जाना चाहिए और दोलन गायब हो जाने चाहिए। इसके बजाय, दोलन बने रहे, एक बुरी आदत की तरह।

"टोपोलॉजिकल चरण संक्रमण के पास सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन धातु के भीतर सामान्य कणों की तरह व्यवहार करना बंद कर सकते हैं," कॉफमैन बताते हैं। "उनके इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना डिराक फर्मियन - सापेक्षतावादी कणों के समान अर्ध-कणों की तरह व्यवहार करने लगते हैं। हमारे काम में, हम दिखाते हैं कि इन अर्ध-कणों का स्पिन एक केंद्रीय भूमिका निभाता है: जब हम मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो स्पिन और चुंबकीय क्षेत्र के बीच की बातचीत इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों को गहराई से बदल देती है। परिणामस्वरूप, लैंडौ स्तर जो सामान्य रूप से सिस्टम की प्रासंगिक ऊर्जा से दूर चले जाते हैं, 'वापस लौट' सकते हैं और इसे फिर से पार कर सकते हैं। यह असामान्य व्यवहार है जिसे हम पुनः प्रवेशी लैंडौ स्तर कहते हैं।"

इसे समझाने के लिए, शोधकर्ता लैंडौ स्तरों के 'बैक-बेंडिंग' नामक एक प्रक्रिया का प्रस्ताव करते हैं, जहां कुछ स्तर फर्मी स्तर की ओर वापस झुकते हैं और इसे फिर से पार करते हैं, जिससे एक ऐसे शासन में अतिरिक्त दोलन उत्पन्न होते हैं जहां उन्हें मौजूद नहीं होना चाहिए। यह चक्रवाती ऊर्जा (कक्षीय गति से) और ज़ीमैन प्रभाव (स्पिन-चुंबकीय क्षेत्र युग्मन) के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है, जो ZrTe5 जैसी मजबूत स्पिन-कक्षा अंतःक्रिया वाली सामग्रियों में उलझे होते हैं।

अध्ययन के लक्ष्यों में से एक यह निर्धारित करना था कि क्या असामान्य दोलन कई-शरीर प्रभावों (सामूहिक) के कारण थे