Badanie opublikowane w Nature Communications ujawniło, że elektrony w pentatellurku cyrkonu (ZrTe5) są w zasadzie zbuntowanymi nastolatkami świata kwantowego. Pod wpływem temperatur bliskich zera absolutnego i pól magnetycznych wystarczająco silnych, aby twoje magnesy na lodówkę zapłakały, cząstki te wykazywały oscylacje kwantowe, które przeczą konwencjonalnym oczekiwaniom.

Badania, prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu w São Paulo (USP) w Brazylii, Los Alamos National Laboratory, Uniwersytetu Waszyngtońskiego i innych amerykańskich instytucji, połączyły eksperymenty transportu elektrycznego w polach magnetycznych do 60 tesli w temperaturach około 0,7 kelwina (-272,45 °C) ze szczegółowymi obliczeniami teoretycznymi. Bo, wiesz, po co nie przesuwać granic fizyki, skoro można?

„Ta praca poszerza nasze zrozumienie transportu elektronów w egzotycznych fazach materii i sugeruje, że izolatory topologiczne wspierają transport nie tylko ładunku elektrycznego, ale także innego fundamentalnego stopnia swobody: spinu elektronu” – mówi Julio Larrea Jiménez, profesor w Instytucie Fizyki USP i współzałożyciel/dyrektor Laboratorium Materii Kwantowej w Ekstremalnych Warunkach.

Larrea był promotorem doktoratu Cauê Kaufmanna Ribeiro, pierwszego autora badania, który wykonał większość prac eksperymentalnych podczas stażu w National High Magnetic Field Laboratory w Los Alamos, wspieranego przez FAPESP Research Internship Abroad, pod opieką Johanny Palmstrom i Seana Thomasa.

Izolatory topologiczne to dziwadła materiałoznawstwa: ich wnętrza są izolatorami elektrycznymi, ale ich powierzchnie przewodzą prąd. Wynika to z topologii ich pasm elektronowych, które są chronione przez symetrie kryształu. ZrTe5 jest szczególnie wyjątkowy, ponieważ znajduje się blisko granicy między różnymi fazami topologicznymi, co oznacza, że niewielkie zmiany temperatury, odkształcenia mechaniczne, skład chemiczny lub pole magnetyczne mogą drastycznie zmienić jego zachowanie elektroniczne. To kwantowy odpowiednik nastrojowego artysty.

Gdy elektrony poruszają się w polu magnetycznym, ich energie są ograniczone do dyskretnych wartości zwanych poziomami Landaua, nazwanymi na cześć Lwa Landaua (1908-1968). W czystych metalach poziomy te mogą wielokrotnie przecinać poziom Fermiego, powodując oscylacje oporu elektrycznego znane jako oscylacje Szubnikowa-de Haasa, które zwykle podążają za przewidywalnym wzorcem w 1/B (gdzie B to pole magnetyczne). Ale ZrTe5 nie dotarł do tej notatki.

Naukowcy odkryli, że jego oscylacje magnetooporu nie były konwencjonalnie okresowe w 1/B i utrzymywały się znacznie poza granicą kwantową, gdzie elektrony powinny utknąć na najniższym poziomie Landaua, a oscylacje powinny zniknąć. Zamiast tego oscylacje utrzymywały się, jak zły nawyk.

„W materiałach w pobliżu przejść fazowych topologicznych elektrony mogą przestać zachowywać się jak zwykłe cząstki w metalu” – wyjaśnia Kaufmann. „Ich wzbudzenia elektroniczne zaczynają zachowywać się jak quasi-cząstki podobne do fermionów Diraca – cząstek relatywistycznych. W naszej pracy pokazujemy, że spin tych quasi-cząstek odgrywa kluczową rolę: gdy przykładamy silne pola magnetyczne, oddziaływanie spinu z polem magnetycznym głęboko zmienia poziomy energetyczne elektronów. W rezultacie poziomy Landaua, które normalnie oddalałyby się od istotnej energii układu, mogą „wracać” i przecinać ją ponownie. To niezwykłe zachowanie nazywamy powracającymi poziomami Landaua.”

Aby to wyjaśnić, naukowcy proponują proces zwany „odginaniem” poziomów Landaua, w którym niektóre poziomy odginają się w kierunku poziomu Fermiego i przecinają go ponownie, generując dodatkowe oscylacje w reżimie, w którym nie powinny istnieć. Dzieje się tak z powodu wzajemnego oddziaływania energii cyklotronowej (z ruchu orbitalnego) i efektu Zeemana (sprzężenia spinu z polem magnetycznym), które są splątane w materiałach z silnym oddziaływaniem spin-orbita, takich jak ZrTe5.

Jednym z celów badania było ustalenie, czy anomalne oscylacje były spowodowane efektami wielociałowymi (kolektywnymi zachowaniami elektronów) czy też jednociałowymi. Wyniki wskazują, że to drugie – pojedyncze elektrony, ale z uwzględnieniem spinu, wystarczą, aby wyjaśnić to zachowanie. To jakby natura powiedziała: „Nie potrzebuję tłumu, aby narobić bałaganu.”

Badanie to nie tylko pogłębia naszą wiedzę o egzotycznych materiałach kwantowych, ale także otwiera drzwi do przyszłych technologii wykorzystujących spin elektronów, takich jak spintronika. Ale na razie ZrTe5 pozostaje kapryśną gwiazdą, która uwielbia łamać zasady – ku uciesze fizyków i frustracji studentów.