Ωστόσο, το απρόσεκτο oddball δεν θα ήταν ένα από τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης. Αντίθετα, θα ήταν ένα τεμαχίδιο που προκύπτει από τη συλλογική συμπεριφορά ενός υλικού μόνο όταν οι συνθήκες είναι σωστές. Στη νέα μελέτη, αυτές οι συνθήκες παρατηρήθηκαν σε φύλλα ημι-μεταλλικού κρυστάλλου που παρουσίαζαν κάποια περίεργη ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά.
“Εάν οι ερμηνείες μας είναι σωστές, βλέπουμε μια θεμελιωδώς νέα μορφή κβαντικής ύλης”, ανέφερε σε δήλωσή του ο φυσικός Sanfeng Wu του Πανεπιστημίου του Πρίνστον. Ο Wu είναι ο επικεφαλής συγγραφέας μιας νέας μελέτης που περιγράφει την ανακάλυψη στις 4 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature.
Αυτός και οι συνάδελφοί του παρακολούθησαν βασισμένους σε υπαινιγμούς σε προηγούμενα πειράματα της περίεργης συμπεριφοράς ενός λεπτού φύλλου από το κρυσταλλικό υλικό βολφραμίου ditelluride. Το υλικό μεταφέρει ηλεκτρισμό σαν μέταλλο χύμα, αλλά είναι ένας ισχυρός μονωτής ως “μονοστιβάδα”, ένα στρώμα πάχους μόλις ενός ατόμου, επειδή τα κινητά ηλεκτρόνια ενός ρεύματος εμποδίζονται από τα σταθερά ηλεκτρόνια του, τα οποία γίνονται πολύ ισχυρότερα. Καλούμενο “δισδιάστατο” φύλλο.
Στο πλαίσιο των ερευνών τους, οι ερευνητές εξέθεσαν τη μονοστιβάδα σε ένα μεταβλητό μαγνητικό πεδίο σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπου τα κβαντικά φαινόμενα γίνονται πιο έντονα και μέτρησαν πώς αντιστάθηκε σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα. (Ο μαγνητισμός και η ηλεκτρική ενέργεια σχετίζονται στενά · όταν ένα μαγνητικό πεδίο αλλάζει ισχύ, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν, ενώ τα ρέοντα ηλεκτρόνια δημιουργούν μαγνητικό πεδίο.)
Τα κανονικά υλικά εμφανίζουν διακριτική συμπεριφορά υπό αυτές τις συνθήκες: Τα μέταλλα εμφανίζουν ένα φαινόμενο που ονομάζεται “κβαντική ταλάντωση”, στο οποίο η αντίσταση τους αλλάζει γρήγορα μεταξύ διαφορετικών τιμών.
Ο Wu εξήγησε ότι οι κβαντικές ταλαντώσεις συμβαίνουν επειδή τα ηλεκτρόνια του υλικού μετακινούνται μεταξύ της κανονικής τους κλασικής κατάστασης και των κβαντικών μηχανικών καταστάσεων που προκαλούνται από την κυκλική τους κίνηση στο μαγνητικό πεδίο, ουσιαστικά ένας τύπος κβαντικής «υπέρθεσης» όπου ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να καταλάβει πολλές διαφορετικές καταστάσεις στην μια φορά.
Αλλά οι μονωτές δεν εμφανίζουν κβαντικές ταλαντώσεις. και έτσι ο Wu και οι συνάδελφοί του εξεπλάγησαν όταν έβλεπαν ότι η αντίσταση του μονοστρωματικού βολφραμίου διτελουρουρίδη άρχισε να ταλαντεύεται καθώς το μαγνητικό πεδίο αυξήθηκε, η χαρακτηριστική συμπεριφορά ενός μετάλλου.
“Αυτό ήταν μια απόλυτη έκπληξη”, είπε. “Αναρωτηθήκαμε,” Τι συμβαίνει εδώ; ” Δεν το καταλαβαίνουμε ακόμη πλήρως. ”
Κβαντική ταλάντωση
Οι φυσικοί ανακάλυψαν την κβαντική ταλάντωση πριν από έναν αιώνα. Τα μέταλλα έχουν συνήθως χαμηλή αντίσταση, τα εξόχως απόκεντρα ηλεκτρόνια τους δεν είναι στενά συνδεδεμένα στα γονικά τους άτομα, επομένως τα μέταλλα επιτρέπουν στα κινητά ηλεκτρόνια να ρέουν και να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Σε πρώιμα πειράματα, οι ερευνητές εξέθεσαν ένα μέταλλο σε ένα μαγνητικό πεδίο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και διαπίστωσαν ότι η αντίσταση του υλικού θα αυξανόταν πρώτα και στη συνέχεια θα αρχίσει να εναλλάσσεται μεταξύ υψηλότερων και χαμηλότερων επιπέδων.
Είναι πλέον γνωστό ότι ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο προκαλεί την εναλλαγή των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο μεταξύ της κανονικής τους κλασικής κατάστασης και των κυκλικών κβαντικών μηχανικών καταστάσεων τους, προκαλώντας τις ταλαντώσεις στην αντίσταση του μετάλλου, και οι κβαντικές ταλαντώσεις έχουν γίνει ένα τυπικό εργαλείο για τον χαρακτηρισμό πολλών από τις ιδιότητες των μετάλλων, είπε ο Wu.
Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια σε μονωτικά υλικά δεν μπορούν να κινηθούν, επομένως δεν μεταδίδουν καλά ηλεκτρικό ρεύμα και έχουν πολύ υψηλή αντίσταση. Οι μονωτές συνήθως δεν εμφανίζουν κβαντικές ταλαντώσεις, ανεξάρτητα από το πόσο ισχυρό είναι το μαγνητικό πεδίο.
Έτσι, οι κβαντικές ταλαντώσεις που παρατηρήθηκαν στην υποτιθέμενη μονωτική μονοστιβάδα του βολφραμίου διτελουρίδη ήταν απροσδόκητες, είπε ο Wu.
Αν και το υλικό είχε υψηλή αντίσταση, άρχισε να ταλαντεύεται μεταξύ υψηλότερων και χαμηλότερων επιπέδων αντίστασης καθώς αυξάνεται η ισχύς του μαγνητικού πεδίου. Αυτή η ταλάντωση έδειξε ότι τα ηλεκτρόνια του υλικού μετατοπίζονταν σε κβαντοποιημένες φάσεις που προκλήθηκαν από το μαγνητικό πεδίο, μια θεμελιώδη ιδιότητα ενός μετάλλου, αλλά σε έναν ισχυρό μονωτή, είπε.
Νέο θέμα
Η σύγχρονη φυσική δεν εξηγεί την ανακάλυψη, είπε ο Wu και αυτός και η ομάδα του υποθέτουν ότι οι παρατηρούμενες ταλαντώσεις προκαλούνται από μια προηγουμένως άγνωστη μορφή κβαντικής ύλης.
Πιστεύουν ότι οι κβαντικές ταλαντώσεις θα μπορούσαν να εξηγηθούν από τα «quasiparticles», που δεν έχουν ξαναδεί ποτέ, που προκύπτουν από τα σταθερά ηλεκτρόνια όταν η μονοστιβάδα του βολφραμίου διτελουριδίου εκτίθεται σε ένα αρκετά ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Και προτείνουν ότι αυτό το τεμαχίδιο είναι ένα “ουδέτερο φερμόνιο, το ισοδύναμο ενός ηλεκτρονίου, αλλά χωρίς ηλεκτρικό φορτίο.
Τα κανονικά φορτισμένα φερμόνια είναι είτε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια είτε οι θετικά φορτισμένες “οπές” που θεωρούνται ως ροή ρεύματος σε ένα μέταλλο, τα ηλεκτρόνια ρέουν στην αντίθετη κατεύθυνση από το ρεύμα.
Όμως οι ερευνητές πιστεύουν ότι τα ουδέτερα φερόνια τους θα μπορούσαν να υπάρχουν και να είναι κινητά σε έναν μονωτή, προκαλώντας αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός ρεύματος και των ουδέτερων σωματιδίων που προκύπτουν από τα σταθερά ηλεκτρόνια που μπορούν να ανιχνευθούν ως κβαντικές ταλαντώσεις.
“Εδώ, τα ουδέτερα φορτία φερμιόνια είναι ένα αναδυόμενο σωματίδιο, λόγω της συλλογικής συμπεριφοράς ενός πολύ αλληλεπιδρώντος συστήματος πολλών ηλεκτρονίων”, δήλωσε ο Wu. “Άρα αυτό δεν είναι (ένα από τα) στοιχειώδη σωματίδια στο Πρότυπο Μοντέλο”, είπε, αναφερόμενος στο μοντέλο που διέπει τον ενίοτε παράξενο κόσμο της σωματιδιακής φυσικής.
Τώρα σχεδιάζουν τρόπους για να δοκιμάσουν την υπόθεσή τους για “ουδέτερα φερμιόνια” στο βολφράμιο διτελουρίδη και αναζητούν άλλους μονωτές που αναπτύσσουν επίσης κβαντικές ταλαντώσεις, είπε.
“Είναι δύσκολο να φανταστούμε μελλοντικές εφαρμογές σε αυτό το στάδιο, αλλά είμαι βέβαιος ότι θα σχετίζεται με τις μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες μας”, δήλωσε ο Wu. Με τον ίδιο τρόπο, “ήταν δύσκολο να φανταστεί κανείς τα σύγχρονα ηλεκτρονικά όταν πρωτοεμφανίστηκε ένα ηλεκτρόνιο.”
Η ομάδα του Wu ετοίμασε τα μονοστρωματικά του βολφραμίου διτελλουρίδη, σταδιακά «ξυρίζοντας» μια νιφάδα από αυτό με πιο λεπτή κολλητική ταινία.
Αν και ακούγεται απλό, αυτή η λεγόμενη “μέθοδος κολλητικής ταινίας” χρησιμοποιείται συνήθως για τη δημιουργία μονοστιβάδων κατάλληλων υλικών και οδήγησε στην ανακάλυψη “δισδιάστατων” υλικών όπως το γραφένιο, το οποίο απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010.