Nature Communications'da yayımlanan bir çalışma, zirkonyum pentatellürürdeki (ZrTe5) elektronların temelde kuantum dünyasının asi gençleri olduğunu ortaya koydu. Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara ve buzdolabı mıknatıslarınızı ağlatacak kadar güçlü manyetik alanlara maruz bırakıldıklarında, bu parçacıklar geleneksel beklentilere meydan okuyan kuantum salınımları sergilediler.

Brezilya'daki São Paulo Üniversitesi (USP), Los Alamos Ulusal Laboratuvarı, Washington Üniversitesi ve diğer ABD kurumlarından bilim insanlarının yürüttüğü araştırma, 60 teslaya kadar manyetik alanlarda ve yaklaşık 0,7 kelvin (-272,45 °C) sıcaklıklarda elektriksel taşıma deneylerini ayrıntılı teorik hesaplamalarla birleştirdi. Çünkü, bilirsiniz, varken fiziğin sınırlarını zorlamamak olmazdı.

"Bu çalışma, egzotik madde fazlarında elektron taşınımına ilişkin anlayışımızı genişletiyor ve topolojik yalıtkanların yalnızca elektrik yükünün değil, aynı zamanda başka bir temel serbestlik derecesinin, yani elektron spininin de taşınmasını desteklediğini öne sürüyor," diyor USP Fizik Enstitüsü'nde profesör ve Aşırı Koşullar Altında Kuantum Madde Laboratuvarı'nın kurucu ortağı/direktörü Julio Larrea Jiménez.

Larrea, çalışmanın ilk yazarı olan Cauê Kaufmann Ribeiro'nun doktora danışmanlığını yaptı. Ribeiro, deneysel çalışmaların çoğunu Los Alamos'taki Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı'nda, FAPESP Yurtdışı Araştırma Stajı desteğiyle ve Johanna Palmstrom ile Sean Thomas'ın ortak danışmanlığında gerçekleştirdi.

Topolojik yalıtkanlar malzeme biliminin tuhaf kuzenleridir: içleri elektriksel yalıtkandır, ancak yüzeyleri elektriği iletir. Bu, kristal simetrileri tarafından korunan elektronik bantlarının topolojisinden kaynaklanır. ZrTe5 özellikle özeldir çünkü farklı topolojik fazlar arasındaki sınıra yakın bir yerde bulunur; bu, sıcaklık, mekanik deformasyon, kimyasal bileşim veya manyetik alandaki küçük değişikliklerin elektronik davranışını önemli ölçüde değiştirebileceği anlamına gelir. Bu, kuantum dünyasının huysuz bir sanatçısına benzer.

Elektronlar bir manyetik alan içinde hareket ettiğinde, enerjileri Lev Landau'nun (1908-1968) adını taşıyan Landau seviyeleri adı verilen ayrık değerlerle sınırlandırılır. Saf metallerde bu seviyeler Fermi seviyesini tekrar tekrar geçebilir ve normalde 1/B'de (B manyetik alan) öngörülebilir bir desen izleyen Shubnikov-de Haas salınımları adı verilen elektriksel dirençte salınımlar üretebilir. Ama ZrTe5 bu notayı hiçe saydı.

Araştırmacılar, manyetodirenç salınımlarının 1/B'de geleneksel olarak periyodik olmadığını ve elektronların en düşük Landau seviyesinde sıkışıp salınımların kaybolması gereken kuantum limitinin çok ötesinde devam ettiğini buldular. Bunun yerine, salınımlar kötü bir alışkanlık gibi sürdü.

"Topolojik faz geçişlerinin yakınındaki malzemelerde, elektronlar bir metal içindeki sıradan parçacıklar gibi davranmayı bırakabilir," diye açıklıyor Kaufmann. "Elektronik uyarımları, Dirac fermiyonlarına - göreli parçacıklara - benzer kuasiparçacıklar gibi davranmaya başlar. Çalışmamızda, bu kuasiparçacıkların spininin merkezi bir rol oynadığını gösteriyoruz: güçlü manyetik alanlar uyguladığımızda, spin ile manyetik alan arasındaki etkileşim elektronların enerji seviyelerini derinden değiştirir. Sonuç olarak, normalde sistemin ilgili enerjisinden uzaklaşacak olan Landau seviyeleri 'geri dönüp' onu tekrar geçebilir. Bu olağandışı davranışa yeniden giren Landau seviyeleri adını veriyoruz."

Bunu açıklamak için araştırmacılar, bazı seviyelerin Fermi seviyesine doğru geri bükülüp onu tekrar geçtiği ve var olmamaları gereken bir rejimde ekstra salınımlar ürettiği 'geri bükülme' adı verilen bir süreç öneriyorlar. Bu, siklotron enerjisi (yörünge hareketinden) ile Zeeman etkisi (spin-manyetik alan bağlantısı) arasındaki etkileşim nedeniyle olur; bu etkileşimler ZrTe5 gibi güçlü spin-yörünge etkileşimine sahip malzemelerde iç içe geçmiştir.

Çalışmanın hedeflerinden biri, anormal salınımların çok cisim etkilerinden mi (kolektif