Matematika, fizika, kemija

Otkriveno novo stanje tvari - elektronske četvorke

N.B.

Središnji princip supravodljivosti je da elektroni tvore parove. Ali mogu li se i oni zgusnuti u četvorke? Nedavna otkrića sugeriraju da mogu, a fizičar s KTH Royal Institute of Technology danas je objavio prve eksperimentalne dokaze ovog četverostrukog učinka i mehanizma po kojem se ovo stanje materije događa.

Profesor Egor Babaev i suradnici predstavili su dokaze četverostrukog povećanja fermiona u nizu eksperimentalnih mjerenja na materijalu na bazi željeza, Ba1−xKxFe2As2. Rezultati slijede gotovo 20 godina nakon što je Babaev prvi predvidio ovakvu vrstu fenomena, te osam godina nakon što je objavio rad u kojem je predviđao da bi se to moglo dogoditi u materijalu.

Uparivanje elektrona omogućuje kvantno stanje supravodljivosti, stanje vodljivosti nulte otpornosti koje se koristi u MRI skenerima i kvantnom računarstvu. To se događa unutar materijala kao rezultat spajanja dvaju elektrona, a ne odbijanja jedan drugog, kao što bi to bilo u vakuumu. Pojavu su prvi opisali u teoriji Leon Cooper, John Bardeen i John Schrieffer, čiji je rad nagrađen Nobelovom nagradom 1972. godine.

Takozvani Cooperovi parovi su u osnovi "suprotnosti koje se privlače". Obično bi se dva elektrona, koji su negativno nabijene subatomske čestice, snažno odbijala. Ali pri niskim temperaturama u kristalu oni postaju labavo vezani u parovima, što dovodi do robusnog dalekosežnog reda. Struje elektronskih parova se više ne raspršuju zbog nedostataka i prepreka i vodič može izgubiti sav električni otpor, postajući novo stanje materije: supravodič.

Tek posljednjih godina teoretska ideja o četvero-fermionskim kondenzatima postala je široko prihvaćena. Da bi došlo do četverostrukog stanja fermiona, mora postojati nešto što sprječava kondenzaciju parova i sprječava njihov protok bez otpora, a istovremeno omogućuje kondenzaciju kompozita s četiri elektrona, kaže Babaev.

Teorija Bardeen-Cooper-Schrieffera nije dopuštala takvo ponašanje, pa kada je Babaevov eksperimentalni suradnik na Tehničkom Sveučilištu u Dresdenu, Vadim Grinenko, 2018. pronašao prve znakove fermionskog četverostrukog kondenzata, godine prevladavajuće znanstvene saglasnosti dovedene su u pitanje. Uslijedile su tri godine eksperimentiranja i istraživanja u laboratorijima u više institucija kako bi potvrdili nalaz.

Babaev kaže da je ključno među napravljenim zapažanjima da fermionski četverostruki kondenzati spontano prekidaju simetriju obrnutog vremena. U fizici simetrija promjene vremena je matematička operacija zamjene izraza za vrijeme njegovim negativnim formulama ili jednadžbama tako da one opisuju događaj u kojem vrijeme teče unatrag ili su sva gibanja obrnuta.

Ako netko obrne smjer vremena, temeljni zakoni fizike i dalje vrijede. To vrijedi i za tipične supravodiče: ako je strelica vremena obrnuta, tipični supravodič bi i dalje bio u istom supravodljivom stanju.

"Međutim, u slučaju kondenzata s četiri fermiona o kojem izvještavamo, preokret vremena dovodi ga u drugo stanje", kaže on. "Vjerojatno će trebati mnogo godina istraživanja da se potpuno razumije ovo stanje. Pokusi otvaraju niz novih pitanja, otkrivajući niz drugih neobičnih svojstava povezanih s njegovom reakcijom na toplinske gradijente, magnetska polja i ultrazvuk koji ipak treba bolje razumjeti."

Izvor: Nature Physics

Možda će vas zanimati