Aineen uuden olomuodon äärellä

Tieteilijät ovat löytäneet uuden tavan, jolla aine voi esiintyä – sellaisen, joka eroaa tavanomaisista kiinteän, nestemäisen, kaasumaisen tai plasman olomuodoista – kahden eksoottisen kerrostetun materiaalin rajapinnassa.

Uusi kvanttitila, kvanttinestekide, näyttää noudattavan omia sääntöjään ja tarjoaa ominaisuuksia, jotka voisivat tasoittaa tietä edistyneille teknologisille sovelluksille, tutkijat sanovat.

Tieteellisenä johdantona on se, että kahden erillisen kvanttimateriaalin rajapinta tarjoaa harvinaisen mahdollisuuden kytkeä näennäisesti toisiinsa liittymättömiä monikappaleisia perustiloja, jotta voi luoda niin eksoottisia faaseja, jotka olisivat muuten mahdottomia.

Vaikka pinotuista heikosti korreloiduista materiaaleista, kuten grafeenin ja siirtymämetallidikalkogenidien heterorakenteista, on jo löydetty lukuisia uusia voimakkaasti vuorovaikuttavia faaseja, rajapintojen rakentamisen myös vahvasti korreloivista materiaaleista, joiden yksittäiset kerrokset sisältävät jo paljon kiehtovia ilmiöitä, odotetaan olevan erittäin lupaavaa.

Rutgersin yliopiston johtama tutkijaryhmä raportoikin kokeesta, jossa keskityttiin Weyl-puolimetalliksi kutsutun johtavan materiaalin (Eu2Ir2O7) ja spinjääksi kutsutun eristävän magneettisen materiaalin (Dy2Ti2O7) vuorovaikutukseen, kun molemmat altistetaan erittäin voimakkaalle magneettikentälle.

”Vaikka kumpaakin materiaalia on tutkittu laajasti, niiden vuorovaikutus tällä rajapinnalla on jäänyt täysin tutkimatta”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Tsung-Chi Wu. ”Havaitsimme uusia kvanttifaaseja, jotka syntyvät vain, kun nämä kaksi materiaalia ovat vuorovaikutuksessa. Tämä luo uuden kvanttitopologisen olomuodon aineelle korkeissa magneettikentissä, mikä oli aiemmin tuntematonta.”

Tutkimusryhmä havaitsi, että näiden kahden materiaalin rajapinnassa Weyl-puolimetallin elektronisiin ominaisuuksiin vaikuttavat spinjään magneettiset ominaisuudet. Tämä vuorovaikutus johtaa hyvin harvinaiseen ilmiöön nimeltä "elektroninen anisotropia", jossa materiaali johtaa sähköä eri tavoin eri suuntiin. 360 asteen ympyrän sisällä johtavuus on heikoin kuudessa tietyssä suunnassa, he havaitsivat. Yllättäen, kun magneettikenttää lisätään, elektronit alkavat yhtäkkiä virrata kahteen vastakkaiseen suuntaan.

Tämä löytö on yhdenmukainen kvantti-ilmiössä, joka tunnetaan rotaatiosymmetrian rikkoutumisena, havaitun ominaisuuden kanssa ja viittaa uuden kvanttifaasin esiintymiseen suurissa magneettikentissä.

Jo aiemmin tutkijat ovat havainneet, että äärimmäisissä olosuhteissa, kuten erittäin alhaisissa lämpötiloissa, korkeissa paineissa tai voimakkaissa magneettikentissä, ilmestyy uusia aineen olomuotoja ja ne käyttäytyvät oudoilla ja kiehtovilla tavoilla. Wun mukaan Rutgersin vetämän kokeen kaltaiset kokeet voivat johtaa uuteen, perustavanlaatuiseen ymmärrykseen aineesta luonnossa esiintyvien neljän olomuodon lisäksi.

”Tämä on vasta alkua. Uusien kvanttimateriaalien ja niiden vuorovaikutusten tutkimiseen heterorakenteeksi yhdistettynä on useita mahdollisuuksia. Toivomme, että työmme inspiroi myös fyysikkoyhteisöä tutkimaan näitä jännittäviä uusia alueita”, toteaa Wu yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Topologisen tilan kytkentä päälle ja pois

Kvanttiaskel lämpökytkimelle

Parhaat kahdesta maailmasta: Magnetismi ja Weyl -puolimetallit