Een studie gepubliceerd in Nature Communications heeft onthuld dat elektronen in zirkoniumpentatelluride (ZrTe5) eigenlijk de rebelse tieners van de kwantumwereld zijn. Bij temperaturen nabij het absolute nulpunt en magnetische velden die sterk genoeg zijn om je koelkastmagneten te laten huilen, vertoonden deze deeltjes kwantumoscillaties die de conventionele verwachtingen tarten.

Het onderzoek, geleid door wetenschappers van de Universiteit van São Paulo (USP) in Brazilië, Los Alamos National Laboratory, de Universiteit van Washington en andere Amerikaanse instellingen, combineerde elektrische transportexperimenten in magnetische velden tot 60 tesla bij temperaturen rond 0,7 kelvin (-272,45 °C) met gedetailleerde theoretische berekeningen. Want, weet je, waarom zou je de grenzen van de natuurkunde niet opzoeken terwijl je toch bezig bent?

"Dit werk vergroot ons begrip van elektronentransport in exotische fasen van materie en suggereert dat topologische isolatoren niet alleen elektrische lading transporteren, maar ook een andere fundamentele vrijheidsgraad: elektronspin," zegt Julio Larrea Jiménez, hoogleraar aan het Natuurkunde-instituut van de USP en medeoprichter/directeur van het Laboratorium voor Kwantummaterie onder Extreme Omstandigheden.

Larrea was de promotor van Cauê Kaufmann Ribeiro, de eerste auteur van de studie, die een groot deel van het experimentele werk deed tijdens een stage bij het National High Magnetic Field Laboratory in Los Alamos, ondersteund door een FAPESP-onderzoeksstage in het buitenland, en mede-begeleid door Johanna Palmstrom en Sean Thomas.

Topologische isolatoren zijn de zonderlingen van de materiaalkunde: hun binnenkant is elektrisch isolerend, maar hun oppervlak geleidt elektriciteit. Dit komt door de topologie van hun elektronische banden, die worden beschermd door kristalsymmetrieën. ZrTe5 is bijzonder speciaal omdat het zich nabij de grens tussen verschillende topologische fasen bevindt, wat betekent dat kleine veranderingen in temperatuur, mechanische vervorming, chemische samenstelling of magnetisch veld het elektronische gedrag drastisch kunnen veranderen. Het is het kwantumequivalent van een humeurige kunstenaar.

Wanneer elektronen door een magnetisch veld bewegen, worden hun energieën beperkt tot discrete waarden, de zogenaamde Landau-niveaus, genoemd naar Lev Landau (1908-1968). In zuivere metalen kunnen deze niveaus herhaaldelijk het Fermi-niveau kruisen, wat oscillaties in de elektrische weerstand produceert die bekend staan als Shubnikov-de Haas-oscillaties, die normaal gesproken een voorspelbaar patroon volgen in 1/B (waarbij B het magnetisch veld is). Maar ZrTe5 heeft dat memo niet gekregen.

De onderzoekers ontdekten dat de magnetoweerstandsoscillaties niet conventioneel periodiek waren in 1/B en doorgingen tot ver voorbij de kwantumlimiet, waar elektronen vast zouden moeten zitten in het laagste Landau-niveau en de oscillaties zouden moeten verdwijnen. In plaats daarvan bleven de oscillaties aanhouden, als een slechte gewoonte.

"In materialen nabij topologische faseovergangen kunnen elektronen zich niet langer gedragen als gewone deeltjes in een metaal," legt Kaufmann uit. "Hun elektronische excitaties beginnen zich te gedragen als quasideeltjes die lijken op Dirac-fermionen - relativistische deeltjes. In ons werk laten we zien dat de spin van deze quasideeltjes een centrale rol speelt: wanneer we sterke magnetische velden aanleggen, verandert de interactie tussen spin en magnetisch veld de energieniveaus van de elektronen diepgaand. Als gevolg hiervan kunnen Landau-niveaus die normaal gesproken van de relevante energie van het systeem af zouden bewegen, 'terugkeren' en deze opnieuw kruisen. Dit ongebruikelijke gedrag noemen we terugkerende Landau-niveaus."

Om dit te verklaren stellen de onderzoekers een proces voor dat 'terugbuigen' van Landau-niveaus wordt genoemd, waarbij sommige niveaus terugbuigen naar het Fermi-niveau en het opnieuw kruisen, waardoor extra oscillaties ontstaan in een regime waar ze niet zouden mogen bestaan. Dit gebeurt door het samenspel tussen cyclotronenergie (van orbitale beweging) en het Zeeman-effect (spin-magnetisch veld koppeling), die verstrengeld zijn in materialen met sterke spin-baaninteractie zoals ZrTe5.

Een van de doelen van de studie was om te bepalen of de afwijkende oscillaties te wijten waren aan veel-deeltjeseffecten (collectieve)