Uusi kvanttielektroninen materiaali

Japanilaisen korinpunonnan malli tunnetaan kagome-kuviona. Se on kiinnostanut fyysikoita vuosikymmeniä. Jos metalli tai muu johtava materiaali voitaisiin tehdä muistuttamaan kagomi-kuviota atomisella tasolla, niiden pitäisi teoriassa osoittaa eksoottisia elektronisia ominaisuuksia.

MIT:n, Harvardin yliopiston ja Lawrence Berkeleyn laboratorion fyysikot esittävät tuottaneensa ensimmäistä kertaa kagomi-metallia. Se on rauta- ja tina-atomeista atomisella kerrostuksella tehty ja kagome-hilan toistuvaan kuvioon järjestetty sähköisesti johtava kide.

Kun rakenteen läpi ajettiin virtaa, havaittiin, että atomien kolmiomainen järjestely aiheutti outoa kvanttimaista käyttäytymistä virrankulussa. Se ei kulkenut suoraan hilan läpi vaan elektronit taipuivat hilan sisällä taaksepäin.

Tämä käyttäytyminen on ns. Quantum Hall -vaikutuksen kolmiulotteinen serkku, jossa kaksiulotteisen materiaalin läpi kulkevat elektronit osoittavat kiraalista topologista tilaa, jossa ne taipuvat tiiviisiin pyöreisiin reitteihin ja kulkevat reunoja pitkin menettämättä energiaa.

"Rakentamalla kagome-verkkoa raudasta, joka on luonnostaan magneettinen, tämä eksoottinen käyttäytyminen säilyy huoneenlämmössä ja korkeammallakin lämpötilalla", toteaa apulaisprofessori Joseph Checkelsky. "Kiteiden varaukset eivät tunne vain näiden atomien magneettikenttiä, vaan myös puhtaasti kvanttimekaanista magneettista voimaa hilasta. Tämä voi johtaa tulevaisuuden materiaaleissa johtavuuteen, joka on samankaltainen kuin suprajohtavuus."

Fyysikot ovat vuosikymmeniä teoretisoineet, että elektroniset materiaalit voisivat tukea eksoottisia Quantum Hall -käyttäytymistä niiden luontaisella magneettisilla ominaisuuksilla ja hilageometrialla.

Tutkijoiden mukaan tämän magneettisen materiaalin elektronit käyttäytyivät massiivisina Dirac-partikkeleina, jotain mitä oli ennustettu jo kauan sitten, mutta joita ei koskaan ole nähty näissä järjestelmissä.

"Tämän materiaalin ainutlaatuinen kyky kytkeä magnetismia ja topologiaa viittaa siihen, että ne saattavat synnyttää muitakin ilmiöitä. Seuraava tavoite on havaita ja manipuloida reunatiloja, jotka ovat seurausta näiden äskettäin löydettyjen kvanttielektronisten vaiheiden topologisesta luonteesta," toteavat tutkijat.

Jatkossa tiimi tutkii tapoja vakauttaa muita erittäin kaksiulotteisia kagome-hilarakenteita. Tällaisia materiaaleja, jos niitä voidaan syntetisoida, voitaisiin käyttää tutkittaessa paitsi suprajohteita mutta myös sovelluksina kvanttilaskentaan.