Σε μια αναζήτηση για νέα υλικά που μπορούν να περιέχουν παράξενες νέες καταστάσεις ύλης, φυσικοί από το Πανεπιστήμιο Rice στις ΗΠΑ προχώρησαν σε ένα πείραμα που ανάγκασε τα ηλεκτρόνια ελεύθερης περιαγωγής να παραμείνουν στη θέση τους.

Ενώ το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί σε υλικά όπου τα ηλεκτρόνια περιορίζονται σε δύο μόνο διαστάσεις, αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται σε ένα τρισδιάστατο κρυσταλλικό μεταλλικό πλέγμα, γνωστό ως πυροχλώριο. Η τεχνική δίνει στους ερευνητές ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη των λιγότερο συμβατικών δραστηριοτήτων των σωματιδίων που μεταφέρουν φορτίο.

«Ψάχνουμε για υλικά όπου υπάρχουν δυνητικά νέες καταστάσεις ύλης ή νέα εξωτικά χαρακτηριστικά που δεν έχουν ανακαλυφθεί», λέει ο φυσικός Ming Yi του Πανεπιστημίου Rice.

Και κύμα και σωματίδιο…

Ακριβώς όπως το φως μπορεί να περιγραφεί με τρόπους που είναι και κυματοειδείς και σωματιδιακοί, έτσι και τα δομικά στοιχεία των ατόμων.

Η κυματοειδής κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων είναι απαραίτητη για την κατανόηση του πώς συντονίζουν τη δραστηριότητά τους υπό ορισμένες συνθήκες. Κρυωμένα αμέσως, τα ηλεκτρονικά κύματα μπορούν να ενώσουν τις δυνάμεις μεταξύ τους σε πράξεις εμπλοκής που τους επιτρέπουν να γλιστρήσουν μέσα από στερεά σαν “φαντάσματα”, δημιουργώντας ενεργειακά αποδοτικά υλικά που ονομάζονται υπεραγωγοί.

Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μπορεί να αντιμετωπιστεί με άλλους τρόπους. Η οργάνωση των σωστών αναλογιών στοιχείων έχει ως αποτέλεσμα μοναδικές διασταυρώσεις που λειτουργούν περίπου σαν φανάρια, μειώνοντας τη χαοτική φασαρία και μετατρέποντάς τη σε μια κίνηση που γίνεται σημειωτόν, σε αυτό που περιγράφεται ως geometrical frustration.

Τα πυροχλώρια είναι πολύπλοκα ορυκτά με μορφολογική δομή που τα καθιστά χρήσιμα για μια σειρά ερευνητικών και βιομηχανικών σκοπών. Η κατασκευή ενός από ένα μείγμα χαλκού, βαναδίου και θείου έδωσε στους ερευνητές ένα μέταλλο με geometrical frustration, που θα μπορούσε να διοχετεύει ηλεκτρονικά κύματα σε σημεία με κίνηση.

«Αυτό το φαινόμενο κβαντικής παρεμβολής είναι ανάλογο με τα κύματα που κυματίζουν στην επιφάνεια μιας λίμνης και συναντώνται μετωπικά», λέει ο Yi.

“Η σύγκρουση δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα που δεν κινείται. Στην περίπτωση των υλικών πλέγματος σε κατάσταση που περιγράφεται ως “geometrical frustration”, είναι οι ηλεκτρονικές λειτουργίες κυμάτων που παρεμβαίνουν καταστροφικά.”

Μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας επέτρεψε στην ομάδα να μετρήσει την ενέργεια και την ορμή των ηλεκτρονίων στο τρισδιάστατο πλέγμα, αποδεικνύοντας ότι το ένα δεν εξαρτιόταν από το άλλο ως συνήθως.

Σε αυτόν τον ασυνήθιστο χώρο που είναι γνωστός ως επίπεδη ζώνη, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρανών ηλεκτρονίων διέπονται από ένα διαφορετικό σύνολο κανόνων που θα μπορούσαν – θεωρητικά – να δώσουν στους φυσικούς έναν νέο τρόπο κατανόησης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων όπως η υπεραγωγιμότητα .

Ενώ παρόμοια εντοπισμένα ηλεκτρόνια έχουν παρατηρηθεί σε δισδιάστατα υλικά γνωστά ως πλέγματα Kagome, η εμφάνιση μιας επίπεδης ζώνης από παρεμβαλλόμενα κύματα που διασχίζουν ένα τρισδιάστατο πλέγμα παρέχει μια απόδειξη της ιδέας που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια εντελώς νέα κατηγορία υλικού.

.

Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Physics.

(photo: pixabay)