Un studiu publicat în Nature Communications a dezvăluit că electronii din pentatellurura de zirconiu (ZrTe5) sunt, practic, adolescenții rebeli ai lumii cuantice. Când sunt supuși unor temperaturi aproape de zero absolut și unor câmpuri magnetice suficient de puternice încât să facă magneții de pe frigiderul tău să plângă, aceste particule au prezentat oscilații cuantice care sfidează așteptările convenționale.

Cercetarea, condusă de oameni de știință de la Universitatea din São Paulo (USP) din Brazilia, Laboratorul Național Los Alamos, Universitatea din Washington și alte instituții americane, a combinat experimente de transport electric în câmpuri magnetice de până la 60 de tesla, la temperaturi în jur de 0,7 kelvin (-272,45 °C), cu calcule teoretice detaliate. Pentru că, știi, de ce să nu împingi limitele fizicii cât timp tot ești acolo?

„Această lucrare extinde înțelegerea noastră asupra transportului de electroni în faze exotice ale materiei și sugerează că izolatorii topologici susțin transportul nu doar al sarcinii electrice, ci și al unui alt grad de libertate fundamental: spinul electronului”, spune Julio Larrea Jiménez, profesor la Institutul de Fizică al USP și co-fondator/director al Laboratorului pentru Materie Cuantică în Condiții Extreme.

Larrea a fost coordonatorul de doctorat al lui Cauê Kaufmann Ribeiro, primul autor al studiului, care a realizat o mare parte din munca experimentală în timpul unui stagiu la Laboratorul Național de Câmp Magnetic Intens din Los Alamos, cu sprijinul unei burse FAPESP pentru stagii de cercetare în străinătate, și co-îndrumat de Johanna Palmstrom și Sean Thomas.

Izolatorii topologici sunt ciudații științei materialelor: interiorul lor este izolator electric, dar suprafețele lor conduc electricitatea. Acest lucru se datorează topologiei benzilor lor electronice, care sunt protejate de simetriile cristaline. ZrTe5 este deosebit de special deoarece se află aproape de granița dintre diferite faze topologice, ceea ce înseamnă că mici modificări de temperatură, deformare mecanică, compoziție chimică sau câmp magnetic pot schimba dramatic comportamentul său electronic. Este echivalentul cuantic al unui artist capricios.

Când electronii se mișcă printr-un câmp magnetic, energiile lor sunt restricționate la valori discrete numite niveluri Landau, numite după Lev Landau (1908-1968). În metalele pure, aceste niveluri pot traversa în mod repetat nivelul Fermi, producând oscilații în rezistența electrică cunoscute sub numele de oscilații Shubnikov-de Haas, care urmează în mod normal un model previzibil în 1/B (B fiind câmpul magnetic). Dar ZrTe5 nu a primit acest memoriu.

Cercetătorii au descoperit că oscilațiile magnetorezistenței sale nu erau periodic convenționale în 1/B și continuau mult dincolo de limita cuantică, unde electronii ar trebui să fie blocați în cel mai scăzut nivel Landau, iar oscilațiile ar trebui să dispară. În schimb, oscilațiile persistau, ca un obicei prost.

„În materialele aproape de tranzițiile de fază topologice, electronii pot înceta să se comporte ca particule obișnuite într-un metal”, explică Kaufmann. „Excitațiile lor electronice încep să se comporte ca quasiparticule similare fermionilor Dirac - particule relativiste. În munca noastră, arătăm că spinul acestor quasiparticule joacă un rol central: când aplicăm câmpuri magnetice puternice, interacțiunea dintre spin și câmpul magnetic modifică profund nivelurile de energie ale electronilor. Ca rezultat, nivelurile Landau care în mod normal s-ar îndepărta de energia relevantă a sistemului pot „să se întoarcă” și să o traverseze din nou. Acest comportament neobișnuit este ceea ce numim niveluri Landau reintrante.”

Pentru a explica acest lucru, cercetătorii propun un proces numit „îndoirea înapoi” a nivelurilor Landau, în care unele niveluri se îndoaie înapoi spre nivelul Fermi și îl traversează din nou, generând oscilații suplimentare într-un regim în care nu ar trebui să existe. Acest lucru se întâmplă din cauza interacțiunii dintre energia ciclotronică (din mișcarea orbitală) și efectul Zeeman (cuplajul spin-câmp magnetic), care sunt împletite în materiale cu interacțiune spin-orbită puternică, cum este ZrTe5.

Unul dintre obiectivele studiului a fost să determine dacă oscilațiile anormale se datorau efectelor de multi-corp (colect