Η συμπεριφορά των λεγόμενων «παράξενων μετάλλων» (strange metals) έχει προβληματίσει εδώ και καιρό τους επιστήμονες, αλλά μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Toronto μπορεί να είναι ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση αυτών των υλικών.
Τα ηλεκτρόνια είναι διακριτά, υποατομικά σωματίδια που ρέουν μέσα από καλώδια όπως τα μόρια νερού που ρέουν μέσα από έναν σωλήνα. Αυτή η ροή είναι γνωστή ως ηλεκτρισμός και αξιοποιείται για να τροφοδοτεί και να ελέγχει τα πάντα γύρω μας, από τους απλούς λαμπτήρες έως πολύπλοκες διατάξεις.
Στην κβαντική ύλη, αντίθετα, τα ηλεκτρόνια δε συμπεριφέρονται όπως στα κανονικά υλικά. Είναι πολύ ισχυρότερα και οι τέσσερις θεμελιώδεις ιδιότητες των ηλεκτρονίων -φορτίο, spin, τροχιά και διάταξη- συμπλέκονται, με αποτέλεσμα πολύπλοκες καταστάσεις της ύλης.
«Στην κβαντική ύλη, τα ηλεκτρόνια αποβάλλουν το σωματιδιακό χαρακτήρα τους και παρουσιάζουν περίεργη συλλογική συμπεριφορά», λέει ο φυσικός Arun Paramekanti, καθηγητής στο τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου του Toronto. «Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως non-Fermi liquids, στα οποία οι γνωστοί νόμοι της φυσικής δεν ισχύουν».
Τρεις ερευνητές από το τμήμα φυσικής του πανεπιστημίου και το Centre for Quantum Information & Quantum Control (CQIQC) ανέπτυξαν ένα θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ υποατομικών σωματιδίων σε non-Fermi liquids. Το πλαίσιο επεκτείνεται σε υπάρχοντα μοντέλα και θα βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν τη συμπεριφορά αυτών των «περίεργων μετάλλων».
Η έρευνα τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Κύριος συγγραφέας της μελέτης είναι ο Andrew Hardy, με συν-συγγραφείς τον Paramekanti και το μεταδιδακτορικό ερευνητή Arijit Haldar.
«Γνωρίζουμε ότι η ροή ενός πολύπλοκου υγρού όπως το αίμα μέσω των αρτηριών είναι πολύ πιο δύσκολο να κατανοηθεί από τη ροή του νερού μέσω σωληνώσεων», λέει ο Paramekanti. «Ομοίως, η ροή των ηλεκτρονίων σε non-Fermi liquids είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθεί και να κατανοηθεί από αυτή στα απλά μέταλλα».
Ο Hardy προσθέτει, «Αυτό που κάναμε είναι να κατασκευάσουμε ένα μοντέλο, ένα εργαλείο, για να μελετήσουμε τη συμπεριφορά ενός non-Fermi liquid. Και συγκεκριμένα, να αντιμετωπίσουμε τι συμβαίνει όταν υπάρχει σπάσιμο της συμμετρίας, όταν υπάρχει μια μετάβαση φάσης σε έναν νέο τύπο συστήματος».
Ο όρος «σπάσιμο συμμετρίας (symmetry breaking)» χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια θεμελιώδη διαδικασία που βρίσκεται σε όλη τη φύση. Η συμμετρία σπάει όταν ένα σύστημα -μια σταγόνα νερού ή ολόκληρο το σύμπαν- χάνει τη συμμετρία και την ομοιογένειά του και γίνεται πιο περίπλοκο.
Για παράδειγμα, μια σταγόνα νερού είναι συμμετρική ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό της. Αυτό σημαίνει ότι η περιστροφή της προς οποιαδήποτε κατεύθυνση δεν αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο φαίνεται. Αλλά η συμμετρία της σπάει όταν υφίσταται μετάβαση φάσης και μεταμορφώνεται σε παγοκρύσταλλο. Ως νιφάδα χιονιού, εξακολουθεί να είναι συμμετρική αλλά μόνο σε έξι διαφορετικές διευθύνσεις.
Το ίδιο συνέβη με όλα τα υποατομικά σωματίδια και δυνάμεις που ακολούθησαν τη Μεγάλη Έκρηξη. Με την εκρηκτική γέννηση του σύμπαντος, όλα τα σωματίδια και όλες οι δυνάμεις ήταν ίδιες, αλλά το σπάσιμο της συμμετρίας τα μεταμόρφωσε αμέσως στα διαφορετικά σωματίδια και δυνάμεις που βλέπουμε στον κόσμο σήμερα.
«Το σπάσιμο της συμμετρίας σε non-Fermi liquids είναι πολύ πιο περίπλοκο να μελετηθεί επειδή δεν υπάρχει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη μελέτη αυτών», λέει ο Hardy. «Η περιγραφη του πώς συμβαίνει αυτό το σπάσιμο της συμμετρίας είναι δύσκολη».
Σε ένα non-Fermi liquid, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων γίνονται πολύ πιο ισχυρές όταν τα σωματίδια βρίσκονται στο χείλος της διάσπασης της συμμετρίας. Όπως γίνεται, για παράδειγμα, με μια μπάλα τοποθετημένη στην άκρη ενός ραφιού, οπότε μια πολύ απαλή ώθηση, θα τη βγάλει από την ισορροπία της.
Η νέα έρευνα παρέχει πληροφορίες σχετικά με αυτές τις μεταβάσεις σε non-Fermi liquids και θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους ρύθμισης και ελέγχου των ιδιοτήτων των κβαντικών υλικών. Αν και εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση για τους φυσικούς, το έργο είναι σημαντικό για τα νέα κβαντικά υλικά που θα μπορούσαν να διαμορφώσουν την επόμενη γενιά κβαντικής τεχνολογίας.
Αυτές οι τεχνολογίες περιλαμβάνουν υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας που επιτυγχάνουν μηδενική αντίσταση σε θερμοκρασίες πολύ πιο κοντά στη θερμοκρασία δωματίου, καθιστώντας τους πολύ πιο πρακτικούς και χρήσιμους. Σε αυτή την ομάδα τεχνολογιών περιλαμβάνονται επίσης και οι συσκευές γραφενίου, ουσιαστικά τεχνολογίες που βασίζονται σε στρώματα άνθρακα πάχους ενός ατόμου που έχουν πολλές ηλεκτρονικές εφαρμογές.
«Τα κβαντικά υλικά παρουσιάζουν ασυνήθιστη ροή ηλεκτρονίων και πολύπλοκους τύπους σπασίματος της συμμετρίας τα οποία μπορούν να ελεγχθούν και να ρυθμιστούν», λέει ο Hardy. «Είναι συναρπαστικό για εμάς να είμαστε σε θέση να κάνουμε θεωρητικές προβλέψεις για τέτοια συστήματα που μπορούν να δοκιμαστούν σε νέα πειράματα στο εργαστήριο».
Με πληροφορίες από phys.org
