Suprajohtavuutta ja topologiaa

Heidelbergin yliopiston tutkijat ovat löytäneet eksoottisen tilan, jossa partikkelit yhdistyvät, kun ne rajoittuvat kahteen ulottuvuuteen. Nämä kvanttifysikaaliset havainnot voivat olla tärkeitä vihjeitä suprajohtavuudesta.

Korkeiden lämpötilojen suprajohtavat materiaalit on tähän mennessä huonosti ymmärretty. On kuitenkin näyttöä siitä, että suprajohtavuuden syntymiseksi tietyntyyppisten hiukkasten eli fermionien täytyy pariutua.

Edelleen tutkimukset ovat osoittaneet, että kyseiset aineet ovat kerrostuneita rakenteita eli elektronit voivat liikkua niissä vain kaksiulotteisissa tasoissa. Tutkijoiden mukaan "Se, mitä emme vielä ymmärtäneet, on se, miten pariutumisen vuorovaikutus ja ulottuvuus voi johtaa korkeampiin kriittisiin lämpötiloihin."

Tieteellisissä kokeissaan tutkijat havaitsivat nyt, että fermionien vahvan vuorovaikutuksen kautta tapahtuu erityyppinen pariliitos, joka riippuu ympäröivän väliaineen tiheydestä. Tämä viittaa siihen, että tässä tilassa jokainen partikkeli ei ole pelkästään pariutunut toisen hiukkasen kanssa, vaan että sen ympäristössä on muita korrelaatioita muiden hiukkasten kanssa.

Teorian mukaan fermionit, joilla on heikko vuorovaikutus, tulisi pariutua lämpötilassa, jossa ne tulevat suprajohtaviksi. Kuitenkin, kun tutkijat lisäsivät fermionien välistä vuorovaikutusta, he havaitsivat, että pariliitos tapahtui lämpötiloissa, jotka olivat useita kertoja suurempia kuin kriittinen lämpötila.

Wienin teknisen yliopiston ja Ricen yliopiston yhteisessä tutkimustyössä löydettiin puolestaan Weyl fermionin -hiukkasia materiaaleissa, joilla on voimakas vuorovaikutus elektronien välillä.

Aivan kuten valohiukkasilla, näillä kvasihiukkasilla ole massaa, mutta silti ne liikkuvat erittäin hitaasti. Löydön odotetaan nyt avaavan kokonaan uuden fysiikan alueen ja mahdollistavan tähän asti uskomattomat materiaalien fyysiset vaikutukset.

Weyl-fermionit ovat esimerkiksi hajaantuneet materiaaliin vain vähän eli ne voivat johtaa sähkövirtaa lähes ilman hävikkiä. Ne ovat myös todennäköisesti erittäin mielenkiintoisia spintroniikan alalla, koska niillä on vankka spinilmiö.

Tutkijoiden mukaan hiukkaset voisivat olla myös erityisen sopivia käytettäväksi kvantti-tietokoneissa.

Lisäksi Ricen tutkijoiden osuus toi esiin topologisia ilmiöitä, tavallisesta poiketen, vahvan elektronikorrelaation materiaaleissa. Perinteisesti topologiset materiaalit on määritelty vain eristeissä mutta topologiset johteet kuljettavat kuitenkin sähköä johdemateriaalissa Weyl-fermionien ansiosta.

"Tämä saattaa edustaa suunnitteluperiaatetta, joka ohjaa etsimään monenlaisia vahvasti korreloivia topologisia tiloja", toteavat Ricen tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.