Μια ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν ανακάλυψε κβαντικές ταλαντώσεις στο εσωτερικό ενός μονωτή, ανατρέποντας τη συμβατική κατανόηση της συμπεριφοράς των υλικών και υποδεικνύοντας μια μυστηριώδη «νέα δυαδικότητα» μεταξύ αγωγών και μονωτών.
Ως επιστήμονας που μελετά τις ιδιότητες των υλικών, ο Lu Li καταλαβαίνει ότι οι άνθρωποι είναι πρόθυμοι να μάθουν πώς η έρευνά του μπορεί να οδηγήσει σε νέες τεχνολογίες ή καινοτομίες.
Ωστόσο, δεν έχει κάθε ανακάλυψη προφανή πρακτική εφαρμογή. Κάποια ευρήματα απλώς τόσο πολύ περίεργα ή ακραία που δεν μπορούν άμεσα να μετατραπούν σε κάτι χρήσιμο στην πράξη.
Ο Li και μια διεθνής ομάδα ερευνητών ανακάλυψαν πρόσφατα ένα από αυτά τα αινιγματικά φαινόμενα. Τα αποτελέσματα της μελέτης τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.
«Θα θέλαμε πολύ να ισχυριστούμε ότι υπάρχει μια σπουδαία εφαρμογή, αλλά η δουλειά μας συνεχίζει να απομακρύνει αυτό το όνειρο», δήλωσε ο Li, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. «Αλλά αυτό που ανακαλύψαμε, είναι ακόμα πραγματικά παράξενο και συναρπαστικό».
Η έρευνα, η οποία χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το U.S. National Science Foundation και το U.S. Department of Energy, εστιάζει σε ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντικές ταλαντώσεις.
Στα μέταλλα, αυτές οι ταλαντώσεις συμβαίνουν όταν τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικά ελατήρια, σύμφωνα με τον Li. Εφαρμόζοντας ένα μαγνητικό πεδίο, οι επιστήμονες μπορούν να ελέγξουν τον ρυθμό με τον οποίο κινούνται αυτά τα «ελατήρια» των ηλεκτρονίων.
Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει παρόμοιες ταλαντώσεις και σε μονωτές (υλικά που κανονικά δεν άγουν τη θερμότητα ή τον ηλεκτρισμό). Αυτή η απρόσμενη ανακάλυψη έθεσε ένα σημαντικό ερώτημα στον τομέα: οι ταλαντώσεις αυτές εμφανίζονται μόνο στην επιφάνεια του υλικού ή προέρχονται βαθιά από το εσωτερικό του;
Το μυστήριο της επιφάνειας έναντι του όγκου
Από την άποψη των εφαρμογών, η επιφάνεια θα ήταν η πιο συναρπαστική απάντηση. Οι επιστήμονες ήδη μελετούν υλικά που ονομάζονται τοπολογικοί μονωτές, τα οποία εμφανίζουν μεταλλικές συμπεριφορές στην επιφάνειά τους ενώ διατηρούν την ταυτότητα μονωτή στο εσωτερικό τους, με σκοπό να ανοίξουν δρόμο σε νέες ηλεκτρονικές, οπτικές και κβαντικές τεχνολογίες.
Όμως, συνεργαζόμενος με το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό εργαστήριο μαγνητικών πεδίων στον κόσμο, το National Magnetic Field Laboratory, ο Li και οι συνεργάτες του παρείχαν στοιχεία ότι οι κβαντικές ταλαντώσεις προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού.
«Εύχομαι να γνωρίζαμε πώς να το αξιοποιήσουμε, αλλά αυτή τη στιγμή δεν έχουμε ιδέα», δήλωσε ο Li. «Αυτό που έχουμε τώρα είναι πειραματικά στοιχεία ενός αξιοσημείωτου φαινομένου, τα έχουμε καταγράψει και, ελπίζουμε ότι κάποια στιγμή θα κατανοήσουμε πώς να τα χρησιμοποιήσουμε».
Η ομάδα περιλάμβανε περισσότερους από δώδεκα συνεργάτες από έξι ιδρύματα στις ΗΠΑ και την Ιαπωνία. Εκτός από τον Li, η ομάδα περιλάμβανε τον ερευνητή Kuan-Wen Chen και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan και Kaila Jenkins από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.
«Για χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούσαν την απάντηση σε ένα θεμελιώδες ερώτημα σχετικά με την προέλευση των φορέων σε αυτόν τον εξωτικό μονωτή: Προέρχονται από το εσωτερικό ή την επιφάνεια, είναι εγγενείς ή εξωγενείς;» ρωτά ο Chen. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που παρέχουμε σαφή στοιχεία ότι είναι εγγενείς και προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού».
Μια νέα δυαδικότητα
Ο Li θεωρεί ότι αυτή η έρευνα εξερευνά τα σύνορα αυτού που ο ίδιος αποκαλεί «νέα δυαδικότητα». Στο πλαίσιο αυτό, η αρχική ή «παλιά» δυαδικότητα εμφανίστηκε με την έλευση της κβαντομηχανικής πριν από περισσότερο από έναν αιώνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής, οι επιστήμονες ανακάλυπταν ότι το φως και η ύλη παρουσιάζουν τόσο σωματιδιακή όσο και κυματική συμπεριφορά.
Αυτή η ιδέα αποδείχτηκε κομβική, όχι μόνο στη θεμελιώδη φυσική, αλλά και στην ανάπτυξη τεχνολογιών όπως τα ηλιακά κύτταρα και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια που είναι πλέον συνηθισμένα.
Για τον Li, η νέα δυαδικότητα είναι η ικανότητα των υλικών να συμπεριφέρονται και ως αγωγοί και ως μονωτές. Για να εξερευνήσουν τις κβαντικές ταλαντώσεις σε αυτό το πλαίσιο, η ομάδα του έκανε πειράματα με ένα υλικό που ονομάζεται βορίδιο υττερβίου, ή YbB12, μέσα σε ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
«Ουσιαστικά, δείχνουμε ότι η απλοϊκή εικόνα που είχαμε -ότι υπάρχει μια αγώγιμη επιφάνεια που μπορεί να αξιοποιηθεί σε ηλεκτρονικές εφαρμογές- είναι εντελώς λανθασμένη», δήλωσε ο Li. «Είναι ολόκληρη η ένωση που συμπεριφέρεται σαν μέταλλο παρόλο που είναι μονωτής. Δυστυχώς, αυτή η τρελή συμπεριφορά μετάλλου συμβαίνει μόνο στα 35 Tesla — μια ισχύς μαγνητικού πεδίου που είναι περίπου 35 φορές μεγαλύτερη από αυτήν που υπάρχει μέσα σε ένα μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας».
Έτσι, παρόλο που οι άμεσες εφαρμογές δεν είναι προφανείς, εξακολουθούν να υπάρχουν ερωτήματα που πρέπει να τεθούν σχετικά με τη συμπεριφορά του υλικού και το πώς οι ερευνητές θα μπορούσαν να την εκμεταλλευτούν σε λιγότερο ακραίες συνθήκες.
«Το να επιβεβαιώνουμε ότι οι ταλαντώσεις είναι εγγενείς και προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού είναι συναρπαστικό», δήλωσε ο Zhu. «Δεν γνωρίζουμε ακόμη τι είδους ουδέτερα σωματίδια ευθύνονται για την παρατήρηση. Ελπίζουμε τα ευρήματά μας να παρακινήσουν περαιτέρω πειράματα και θεωρητική έρευνα».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου