En studie publicerad i Nature Communications har avslöjat att elektroner i zirkoniumpentatellurid (ZrTe5) i princip är kvantvärldens rebelliska tonåringar. När de utsätts för temperaturer nära absoluta nollpunkten och magnetfält som är starka nog att få dina kylskåpsmagneter att gråta, uppvisade dessa partiklar kvantoscillationer som trotsar konventionella förväntningar.

Forskningen, ledd av forskare från universitetet i São Paulo (USP) i Brasilien, Los Alamos National Laboratory, University of Washington och andra amerikanska institutioner, kombinerade elektriska transportexperiment i magnetfält upp till 60 tesla vid temperaturer runt 0,7 kelvin (-272,45 °C) med detaljerade teoretiska beräkningar. För, du vet, varför inte tänja på fysikens gränser när man ändå håller på?

”Detta arbete utökar vår förståelse av elektrontransport i exotiska materiefaser och antyder att topologiska isolatorer stödjer transport av inte bara elektrisk laddning, utan också en annan grundläggande frihetsgrad: elektronspinn”, säger Julio Larrea Jiménez, professor vid USP:s fysikinstitut och medgrundare/direktör för Laboratoriet för kvantmateria under extrema förhållanden.

Larrea var handledare för Cauê Kaufmann Ribeiro, studiens försteförfattare, som gjorde mycket av det experimentella arbetet under en praktik vid National High Magnetic Field Laboratory i Los Alamos, med stöd av FAPESP:s forskningspraktik utomlands, och med Johanna Palmstrom och Sean Thomas som biträdande handledare.

Topologiska isolatorer är materialvetenskapens udda fåglar: deras inre är elektriska isolatorer, men deras ytor leder elektricitet. Detta beror på topologin hos deras elektroniska band, som skyddas av kristallsymmetrier. ZrTe5 är särskilt speciellt eftersom det ligger nära gränsen mellan olika topologiska faser, vilket innebär att små förändringar i temperatur, mekanisk deformation, kemisk sammansättning eller magnetfält dramatiskt kan förändra dess elektroniska beteende. Det är kvantmotsvarigheten till en humörsjuk konstnär.

När elektroner rör sig genom ett magnetfält är deras energier begränsade till diskreta värden som kallas Landau-nivåer, uppkallade efter Lev Landau (1908-1968). I rena metaller kan dessa nivåer upprepade gånger korsa Fermi-nivån, vilket ger upphov till oscillationer i elektriskt motstånd som kallas Shubnikov-de Haas-oscillationer, vilka normalt följer ett förutsägbart mönster i 1/B (där B är magnetfältet). Men ZrTe5 fick inte det memo.

Forskarna fann att dess magnetoresistansoscillationer inte var konventionellt periodiska i 1/B och fortsatte långt bortom kvantgränsen, där elektroner borde vara fastnade i den lägsta Landau-nivån och oscillationerna borde försvinna. Istället fortsatte oscillationerna, som en dålig vana.

”I material nära topologiska fasövergångar kan elektroner upphöra att bete sig som vanliga partiklar i en metall”, förklarar Kaufmann. ”Deras elektroniska excitationer börjar bete sig som kvasipartiklar liknande Dirac-fermioner - relativistiska partiklar. I vårt arbete visar vi att spinnet hos dessa kvasipartiklar spelar en central roll: när vi applicerar starka magnetfält förändrar växelverkan mellan spinn och magnetfält elektronernas energinivåer djupt. Som ett resultat kan Landau-nivåer som normalt skulle röra sig bort från systemets relevanta energi ’återvända’ och korsa den igen. Detta ovanliga beteende är vad vi kallar reentranta Landau-nivåer.”

För att förklara detta föreslår forskarna en process som kallas ”tillbakaböjning” av Landau-nivåer, där vissa nivåer böjs tillbaka mot Fermi-nivån och korsar den igen, vilket genererar extra oscillationer i ett område där de inte borde existera. Detta sker på grund av samspelet mellan cyklotronenergi (från orbital rörelse) och Zeeman-effekten (spinn-magnetfältkoppling), som är sammanflätade i material med stark spin-orbit-interaktion som ZrTe5.

Ett av studiens mål var att avgöra om de anomaliska oscillationerna berodde på mångkroppseffekter (kollektiva beteenden) eller på enkla partikelegenskaper. Resultaten tyder på att det senare är fallet, vilket ger en renare förklaring. Men, naturligtvis, i kvantvärlden är ingenting någonsin enkelt, och forskarna betonar att deras modell fortfarande är en förenkling av verkligheten.

Så nästa gång du känner att universum inte följer reglerna, kom ihåg: även elektroner i ZrTe5 vägrar att följa manuset. Det är bara kvantmekanikens sätt att hålla oss på tårna.