Το παράδοξο κρύσταλλο μπερδεύει τους φυσικούς
Σε έναν απατηλά μονόχρωμο μαύρο κρύσταλλο, οι φυσικοί βρήκαν μια μπερδεμένη συμπεριφορά, μια συμπεριφορά που φαίνεται να θολώνει τη γραμμή μεταξύ των ιδιοτήτων των μετάλλων, στα οποία τα ηλεκτρόνια ρέουν ελεύθερα, και εκείνων των μονωτών, στους οποίους τα ηλεκτρόνια είναι ουσιαστικά κολλημένα στη θέση τους. Το κρύσταλλο παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά και των δύο ταυτόχρονα.
«Αυτό είναι ένα μεγάλο σοκ», δήλωσε ο Σουχίτρα Σεμπάστιαν, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, τα ευρήματα του οποίου εμφανίστηκαν σήμερα σε μια προηγμένη ηλεκτρονική έκδοση του περιοδικού Science . Οι μονωτές και τα μέταλλα είναι ουσιαστικά αντίθετα, είπε. «Αλλά κατά κάποιο τρόπο, είναι ένα υλικό που είναι και τα δύο. Είναι αντίθετο με όλα όσα γνωρίζουμε."
Το υλικό, μια πολυμελετημένη ένωση που ονομάζεται εξαβορίδιο του σαμάριου ή SmB6 , είναι ένας μονωτήρας σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, που σημαίνει ότι αντιστέκεται στη ροή του ηλεκτρισμού. Η αντίστασή του υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια (τα δομικά στοιχεία των ηλεκτρικών ρευμάτων) δεν μπορούν να κινηθούν μέσα από τον κρύσταλλο περισσότερο από το πλάτος ενός ατόμου προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Και όμως, ο Sebastian και οι συνεργάτες της παρατήρησαν ηλεκτρόνια να διασχίζουν τροχιές εκατομμυρίων ατόμων σε διάμετρο μέσα στον κρύσταλλο ως απόκριση σε ένα μαγνητικό πεδίο - μια κινητικότητα που αναμένεται μόνο σε υλικά που φέρουν ηλεκτρισμό. Έχοντας κατά νου τη διάσημη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου της κβαντικής μηχανικής, τα νέα στοιχεία προτείνουν SmB6 μπορεί να μην είναι ούτε μέταλλο βιβλίου ούτε μονωτής, είπε ο Σεμπάστιαν, αλλά «κάτι πιο περίπλοκο που δεν ξέρουμε πώς να φανταστούμε».
«Είναι απλώς ένα υπέροχο παράδοξο», είπε ο Γιαν Ζάανεν, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Λέιντεν στην Ολλανδία. «Με βάση τις καθιερωμένες σοφίες αυτό δεν είναι δυνατό να συμβεί, και από εδώ και στο εξής μια εντελώς νέα φυσική θα πρέπει να λειτουργεί.»
Είναι πολύ νωρίς για να πούμε σε τι, αν μη τι άλλο, αυτή η «νέα φυσική» θα είναι καλή, αλλά φυσικοί όπως ο Victor Galitski, του Πανεπιστημίου του Maryland, College Park, λένε ότι αξίζει τον κόπο να το ανακαλύψουμε. «Συχνά», είπε, «οι μεγάλες ανακαλύψεις είναι πραγματικά περίεργα πράγματα, όπως η υπεραγωγιμότητα». Αυτό το φαινόμενο, που ανακαλύφθηκε το 1911, χρειάστηκε σχεδόν μισός αιώνας για να κατανοηθεί, και τώρα δημιουργεί τους πιο ισχυρούς μαγνήτες του κόσμου, όπως εκείνους που επιταχύνουν τα σωματίδια μέσα από τη σήραγγα μήκους 17 μιλίων του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία.
Οι θεωρητικοί έχουν ήδη αρχίσει να κάνουν εικασίες για το τι μπορεί να συμβαίνει μέσα στο SmB6 . Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση μοντελοποιεί το υλικό ως μια μαύρη τρύπα υψηλότερης διάστασης. Αλλά καμία θεωρία δεν αποτυπώνει ακόμη την όλη ιστορία. "Δεν νομίζω ότι υπάρχει κάποια απομακρυσμένη αξιόπιστη υπόθεση που προτείνεται αυτή τη στιγμή", είπε ο Zaanen.
SmB6 έχει αντισταθεί στην ταξινόμηση από τότε που οι Σοβιετικοί επιστήμονες μελέτησαν για πρώτη φορά τις ιδιότητές του στις αρχές της δεκαετίας του 1960 και ακολούθησαν πιο γνωστά πειράματα στα Bell Labs.
Η καταμέτρηση των ηλεκτρονίων στα τροχιακά κελύφη που περιβάλλουν τους πυρήνες του σαμάριου και του βορίου υποδεικνύει ότι περίπου μισό ηλεκτρόνιο θα πρέπει να περισσεύει, κατά μέσο όρο, ανά πυρήνα σαμάριου (κλάσμα, επειδή οι πυρήνες έχουν «μεικτό σθένος» ή εναλλασσόμενους αριθμούς τροχιάς ηλεκτρόνια). Αυτά τα «ηλεκτρόνια αγωγιμότητας» θα πρέπει να ρέουν μέσα από το υλικό όπως το νερό που ρέει μέσα από έναν σωλήνα, και έτσι, SmB6 πρέπει να είναι μέταλλο. «Αυτή ήταν η ιδέα που είχαν οι άνθρωποι όταν άρχισα να ασχολούμαι με αυτό το πρόβλημα ως νέος, γύρω στο 1975», είπε ο Jim Allen, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor που έχει σπουδάσει SmB6 ενεργοποίηση και απενεργοποίηση από τότε.
Αλλά ενώ το εξαβορίδιο του σαμάριου όντως άγει ηλεκτρισμό σε θερμοκρασία δωματίου, τα πράγματα γίνονται περίεργα καθώς ψύχεται. Ο κρύσταλλος είναι αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν υλικό «ισχυρά συσχετισμένο». Τα ηλεκτρόνια του αισθάνονται έντονα το ένα τα αποτελέσματα του άλλου, με αποτέλεσμα να εγκλωβίζονται μαζί σε μια αναδυόμενη, συλλογική συμπεριφορά. Ενώ οι ισχυροί συσχετισμοί σε ορισμένους υπεραγωγούς προκαλούν την πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης στο μηδέν σε χαμηλές θερμοκρασίες, στην περίπτωση του SmB6 , τα ηλεκτρόνια φαίνεται να φουσκώνουν όταν ψύχονται και το υλικό συμπεριφέρεται ως μονωτήρας.
Το αποτέλεσμα προέρχεται από τα 5,5 ηλεκτρόνια, κατά μέσο όρο, που καταλαμβάνουν ένα άβολα σφιχτό κέλυφος που περικλείει κάθε πυρήνα σαμαρίου. Αυτά τα στενά δεμένα ηλεκτρόνια απωθούν αμοιβαία το ένα το άλλο και «αυτό λέει ουσιαστικά στα ηλεκτρόνια:«Μην κινείστε», εξήγησε ο Άλεν. Το τελευταίο μισό ηλεκτρόνιο που έχει παγιδευτεί σε καθένα από αυτά τα κελύφη έχει μια πολύπλοκη σχέση με το άλλο, πιο ελεύθερο, αγώγιμο μισό του. Κάτω από τους μείον 223 βαθμούς Κελσίου, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε SmB6 πιστεύεται ότι «υβριδίζονται» με αυτά τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας μια νέα, υβριδική τροχιά γύρω από τους πυρήνες του σαμαρίου. Οι ειδικοί αρχικά πίστευαν ότι ο κρύσταλλος μετατρέπεται σε μονωτή επειδή κανένα από τα ηλεκτρόνια σε αυτήν την υβριδική τροχιά δεν μπορεί να κινηθεί.
«Η ειδική αντίσταση δείχνει ότι είναι μονωτής. Η φωτοεκπομπή δείχνει ότι είναι καλός μονωτήρας. Η οπτική απορρόφηση δείχνει ότι είναι καλός μονωτής. Η σκέδαση νετρονίων δείχνει ότι είναι μονωτής», είπε ο Λου Λι, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν του οποίου η πειραματική ομάδα μελετά επίσης το SmB6 .
Αλλά αυτό δεν είναι μονωτικό ποικιλίας κήπου. Όχι μόνο η μονωτική του συμπεριφορά προκύπτει από ισχυρούς συσχετισμούς μεταξύ των ηλεκτρονίων του, αλλά τα τελευταία πέντε χρόνια, ολοένα και περισσότερα στοιχεία υποδηλώνουν ότι είναι ένας «τοπολογικός μονωτής» σε χαμηλές θερμοκρασίες, ένα υλικό που αντιστέκεται στη ροή του ηλεκτρισμού μέσω του τρισδιάστατου χύμα, ενώ άγει ηλεκτρισμό κατά μήκος των δισδιάστατων επιφανειών του. Οι τοπολογικοί μονωτές έχουν γίνει ένα από τα πιο καυτά θέματα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης από την ανακάλυψή τους το 2007 λόγω της πιθανής χρήσης τους σε κβαντικούς υπολογιστές και άλλες νέες συσκευές. Κι όμως, SmB6 δεν ταιριάζει καλά ούτε σε αυτήν την κατηγορία.
Στις αρχές του περασμένου έτους, ελπίζοντας να προσθέσουμε στα στοιχεία ότι το SmB6 Η Sebastian και ο μαθητής της Beng Tan επισκέφτηκαν το Εθνικό Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου ή MagLab στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό και προσπάθησαν να μετρήσουν κυματοειδείς κυματισμούς που ονομάζονται «κβαντικές ταλαντώσεις» στην ηλεκτρική αντίσταση των κρυσταλλικών δειγμάτων τους. Ο ρυθμός των κβαντικών ταλαντώσεων και ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλονται καθώς περιστρέφεται το δείγμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να χαρτογραφήσει την «επιφάνεια Fermi» του κρυστάλλου, μια χαρακτηριστική ιδιότητα «η οποία είναι κάπως η γεωμετρία του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσα από το υλικό», δήλωσε ο Sebastian. εξηγείται.
Ωστόσο, ο Σεμπάστιαν και ο Ταν δεν είδαν κβαντικές ταλαντώσεις στο Νέο Μεξικό. Προσπαθώντας να σώσουν το διδακτορικό έργο του Tan, μέτρησαν μια λιγότερο ενδιαφέρουσα ιδιοκτησία και, για να ελέγξουν αυτά τα αποτελέσματα, έκλεισαν χρόνο σε άλλη τοποθεσία του MagLab, στο Tallahassee, Fla.
Στη Φλόριντα, ο Sebastian και ο Tan παρατήρησαν ότι ο ανιχνευτής μέτρησής τους είχε μια επιπλέον σχισμή με έναν πρόβολο τύπου κατάδυσης, που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση των κβαντικών ταλαντώσεων στη μαγνήτιση των κρυστάλλων τους. Αφού απέτυχαν να δουν κβαντικές ταλαντώσεις στην ηλεκτρική αντίσταση, δεν είχαν προγραμματίσει να τις αναζητήσουν σε διαφορετική ιδιότητα υλικού — αλλά γιατί όχι; «Σκέφτηκα, εντάξει, ας βάλουμε ένα δείγμα», είπε ο Σεμπάστιαν. Ψύξανε τα δείγματά τους, άνοιξαν το μαγνητικό πεδίο και άρχισαν να μετρούν. Ξαφνικά συνειδητοποίησαν ότι το σήμα που προερχόταν από την σανίδα κατάδυσης ήταν ταλαντευόμενο.
«Ήμασταν, περίμενε - τι;» είπε.
Σε εκείνο το πείραμα και τα επόμενα στο MagLab, μέτρησαν τις κβαντικές ταλαντώσεις βαθιά στο εσωτερικό των κρυσταλλικών δειγμάτων τους. Τα δεδομένα μεταφράστηκαν σε μια τεράστια, τρισδιάστατη επιφάνεια Fermi, που αντιπροσωπεύει ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν σε όλο το υλικό παρουσία του μαγνητικού πεδίου, όπως κάνουν τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας σε ένα μέταλλο. Κρίνοντας από την επιφάνειά του Fermi, τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του SmB6 ταξιδεύετε 1 εκατομμύριο φορές μακρύτερα από ό,τι υποδηλώνει ότι είναι δυνατή η ηλεκτρική αντίστασή του.
«Η επιφάνεια Fermi είναι σαν αυτή του χαλκού. είναι έτσι στο ασήμι. είναι έτσι στον χρυσό», είπε ο Λι, η ομάδα του οποίου ανέφερε κβαντικές ταλαντώσεις σε επίπεδο επιφάνειας στο Science τον Δεκεμβριο. "Όχι μόνο μέταλλα... αυτά είναι πολύ καλά μέταλλα."
Κάπως έτσι, σε χαμηλές θερμοκρασίες και παρουσία μαγνητικού πεδίου, τα έντονα συσχετισμένα ηλεκτρόνια στο SmB6 μπορούν να κινούνται όπως αυτά στα πιο αγώγιμα μέταλλα, παρόλο που δεν μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Πώς μπορεί ο κρύσταλλος να συμπεριφέρεται και σαν μέταλλο και σαν μονωτή;
Η μόλυνση των δειγμάτων μπορεί να φαίνεται πιθανή, αν όχι για μια άλλη εκπληκτική ανακάλυψη:Όχι μόνο ο Sebastian, ο Tan και οι συνεργάτες τους βρήκαν κβαντικές ταλαντώσεις σε έναν μονωτήρα, αλλά και τη μορφή των ταλαντώσεων - δηλαδή πόσο γρήγορα αυξήθηκαν σε πλάτος καθώς μειώθηκε η θερμοκρασία — διέφερε πολύ από τις προβλέψεις μιας καθολικής φόρμουλας για τα συμβατικά μέταλλα. Κάθε μέταλλο που δοκιμάστηκε ποτέ έχει συμμορφωθεί με αυτόν τον τύπο Lifshitz-Kosevich (ονομάστηκε για τους Arnold Kosevich και Evgeny Lifshitz), υποδηλώνοντας ότι οι κβαντικές ταλαντώσεις στο SmB6 προέρχονται από ένα εντελώς νέο φυσικό φαινόμενο. «Αν προερχόταν από κάτι ασήμαντο, όπως η προσθήκη κάποιων άλλων υλικών, θα ακολουθούσε τη φόρμουλα Lifshitz-Kosevich», είπε ο Galitski. "Οπότε νομίζω ότι είναι πραγματικό αποτέλεσμα."
Παραδόξως, η παρατηρούμενη απόκλιση από τον τύπο Lifshitz-Kosevich προαναγγέλθηκε το 2010 από τους Sean Hartnoll και Diego Hofman, και οι δύο τότε στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, σε μια εργασία που αναδιατύπωσε έντονα συσχετισμένα υλικά ως μαύρες τρύπες υψηλότερων διαστάσεων, αυτές τις απείρως απότομες καμπύλες στο διάστημα- χρόνος που προέβλεψε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν. Στην εργασία τους, οι Hartnoll και Hofman ερεύνησαν την επίδραση των ισχυρών συσχετίσεων στα μέταλλα υπολογίζοντας τις αντίστοιχες ιδιότητες του απλούστερου μοντέλου μαύρης τρύπας — συγκεκριμένα, πόσο καιρό ένα ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να περιφερθεί γύρω από τη μαύρη τρύπα πριν πέσει μέσα. «Είχα υπολογίσει τι θα αντικαταστήσει αυτό το Lifshitz -Φόρμουλα Kosevich σε πιο εξωτικά μέταλλα», είπε ο Hartnoll, ο οποίος βρίσκεται τώρα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Και πράγματι φαίνεται ότι η μορφή που βρήκε ο [Σεμπάστιαν] μπορεί να αντιστοιχιστεί με αυτόν τον τύπο που έβγαλα."
Αυτή η γενικευμένη φόρμουλα Lifshitz-Kosevich ισχύει για μια κατηγορία μεταλλικών καταστάσεων ύλης που περιλαμβάνει συμβατικά μέταλλα, λέει ο Hartnoll. Αλλά ακόμα κι αν SmB6 είναι ένα άλλο μέλος αυτής της κατηγορίας «γενικευμένων μετάλλων», αυτό εξακολουθεί να μην εξηγεί γιατί λειτουργεί ως μονωτήρας. Άλλοι θεωρητικοί προσπαθούν να μοντελοποιήσουν το υλικό με πιο παραδοσιακούς μαθηματικούς μηχανισμούς. Κάποιοι λένε ότι τα ηλεκτρόνια του μπορεί να ταλαντεύονται γρήγορα μεταξύ μονωτικών και αγώγιμων καταστάσεων με κάποιο νέο κβαντικό τρόπο.
Οι θεωρητικοί είναι απασχολημένοι με τη θεωρία και ο Li και οι συνεργάτες του ετοιμάζονται να προσπαθήσουν να αναπαράγουν τα αποτελέσματα του Sebastian με τα δικά τους δείγματα SmB6 . Η τυχαία ανακάλυψη στη Φλόριντα ήταν μόνο το πρώτο βήμα. Τώρα για να λύσουμε το παράδοξο.
