Odkrili zvrst snovi, ki je ni moč razumeti z obstoječo fiziko

Z Instituta Jožef Stefan so sporočili, da so njihovi raziskovalci pod vodstvom Dragana Mihajlovića odkrili povsem novo zvrst snovi, ki je ni možno razumeti z obstoječo fiziko. V nenavadnem stanju snovi so elektroni ukleščeni v zgoščeni kvantni godlji, podobni prometnemu zastoju. Gre za odkritje povsem nove oblike materije, saj za osnovne delce tovrstni pojavi še niso bili znani. Raziskava je bila v celoti izvedena na posebnem mikroskopu na Institutu Jožef Stefan, o odkritju pa danes poroča tudi prestižna znanstvena revija Nature Materials.

Elektroni so verjetno najbolj pomembni osnovni delci v naravi. Ob pojavu statične elektrike, bliska in magnetizma so nam poznani že tisočletja, njihov obstoj kot neodvisnih delcev pa je leta 1897 prvi potrdil Joseph John Thomson. Eno od največjih uspešnic fizike dvajsetega stoletja je bilo dognanje, da se elektroni v kristalih gibajo v obliki valov v skladu s kristalno simetrijo. Slednje je privedlo do razumevanja lastnosti materialov in posledično tudi njihove uporabe. Danes so elektroni ključni za delovanje elektronike in računalništva in so s tem tudi gonilna sila globalne ekonomije.

Skupina osmih fizikov je na Institutu Jožef Stefan med poskusi, namenjenimi ustvarjanju novih oblik kvantnih materialov pod močno neravnovesnimi pogoji v kristalu tantalovega disulfida, s kratkimi laserskimi sunki ustvarila nenavadno gosto amorfno elektronsko snov, v kateri se zaradi medsebojnih interakcij elektroni zagozdijo. Odkritje spada na področje kvantne fizike in je fundamentalno pomembno, saj odpira novo področje, so sporočili iz omenjenega Instituta.

Za današnjo kvantno fiziko predstavlja razumevanje pojava nov velik izziv. Pojav zagozdenja elektronov lahko namreč nastane povsod, kjer delamo s hitro kompresijo osnovnih delcev pri velikih gostotah, npr. v jedrih ali nevtronskih zvezdah. Ima tudi potencialno uporabo, saj je pojav možno nadzirati, ob njem pa se močno spremeni električna upornost snovi.

Pojav je skupina slovenskih raziskovalcev odkrila med raziskavami leta 2016; potem pa so potrebovali tri leta, da so pojav lahko okarakterizirali in eksperimentalno potrdili. Hkrati je bilo treba vsaj delno poskusiti poiskati tudi teoretični model, kar pa je bolj izpostavilo dejstvo, da novo odkrito stanje ne sodi v siceršnje razumevanje fizike in predstavlja nov izziv zunaj obstoječih okvirov kvantne fizike.

"Novo odkriti pojav lahko pojmujemo kot zagozdenje elektronov, ki nastane v procesu, ko njihova gostota hitro narašča. Zaradi medsebojnega odboja se ukleščijo v stanje, v katerem so prepleteni z drugimi, prostimi elektroni. Intuitivno vemo, da prometni zastoji nastanejo, ko se avtomobili v koloni zagozdijo (angleško 'jamming'). Kar je nenavadno pri omenjeni snovi, je, da se zagozdenje pojavi med elektroni, ki jih kvantna mehanika po navadi pojmuje kot valove," so pojasnili na Institutu Jožef Stefan.

V eksperimentih, ki so jih izvedli raziskovalci, se lepo prikaže dvoličnost kvantne mehanike, saj električna prevodnost novonastale snovi ponazarja, da poleg zagozdenih elektronov v snovi hkrati obstajajo tudi prosti elektroni, ki se gibajo v valovih. "Nekako tako kot na dvopasovni cesti, ko en pas zaradi gneče stoji, v vzporednem pasu pa promet prosto teče, včasih pa kako vozilo tudi preskoči z enega pasu na drugega – seveda v primeru elektronov gre za kvantni preskok," razlagajo na institutu.

Novo snov je raziskovalcem uspelo posneti s posebnim mikroskopom, ki so ga razvijali šest let, njegov obstoj pa je omogočilo sodelovanje z nemškim podjetjem Omicron in Nanocentrom. Na začetku je bil financiran s sredstvi Centra odličnosti Nanocenter, po osnovnem zagonu pa so napravo v okviru ERC projekta še močno nadgradili. Kot pojasnjujejo na institutu, je osnovni nizkotemperaturni mikroskop s štirimi konicami edinstven v svetu, saj omogoča opazovanje neravnovesnih stanj, ustvarjenih z močnimi laserskimi žarki. "Mikroskop pa ne omogoča le meritev položaja posameznih elektronov, ampak tudi njihovo gibanje, porazdelitev hitrosti in tudi istočasno meritev klasične električne upornosti samega materiala, v katerem pojav opazujemo," še pojasnjujejo na institutu, kjer dodajajo, da je podjetje Omicron po vzoru te naprave izdelalo še nekaj podobnih, "vendar pa za zdaj nobena od teh še nima možnosti meritev v kombinaciji z lasersko spektroskopijo, kar ostaja unikat v Sloveniji. Nadaljevanje dela zdaj financira projekt ARRS".

Odkritje je v celoti plod slovenske raziskovalne skupine, pojasnjujejo na Institutu Jožef Stefan in dodajajo, da so od prve objave na tem področju leta 2014 v reviji Science sorodne raziskave pričele številne raziskovalne skupine po svetu: na MIT-ju, Stanfordu, v več skupinah v Nemčiji, na Harvardu, Berkeley-ju in na ETHju v Švici ter na Institutu za fiziko kitajske akademije znanosti. Ameriško obrambno ministrstvo pa je na osnovi objave skupine razpisalo razpis za raziskave na novonastalem področju. "A najpomembnejše rezultate je tudi z današnjo objavo v prestižni znanstveni reviji Nature Materials pokazala prav skupina slovenskih fizikov z raziskavami na Institutu Jožef Stefan, kar je nedvomno nova potrditev uspešnosti slovenske znanosti," dodajajo.