Ahhoz, hogy érthető legyen, miért számít ez áttörésnek, érdemes tisztázni, mit is jelent a kvantumállapot fogalma. A klasszikus fizika világában egy anyag tulajdonságait – például azt, hogy vezet-e áramot vagy sem – jól meghatározható szabályok írják le. A kvantumfizikában azonban az anyagot alkotó részecskék, elsősorban az elektronok, nem mindig viselkednek részecskeként: bizonyos körülmények között hullámszerű tulajdonságokat mutatnak, és viselkedésüket kvantumfluktuációk, vagyis apró, elkerülhetetlen ingadozások befolyásolják. Egy kvantumállapot azt írja le, hogyan rendeződnek ezek az elektronok, és milyen kollektív viselkedést mutatnak extrém körülmények között, például nagyon alacsony hőmérsékleten.
A most vizsgált anyag egy olyan összetett szerkezetű vegyület, amelyről korábban csak elméleti modellek feltételezték, hogy bizonyos feltételek mellett különleges, úgynevezett topologikus félfémfázist vehet fel. A topológia a fizikában nem az anyag alakjára, hanem annak belső, geometriai jellegű tulajdonságaira utal. Egy topologikus állapotban az elektronok mozgását nem könnyű megzavarni: a rendszer bizonyos tulajdonságai védettek, még akkor is, ha az anyag környezete változik – írja a ScienceAlert.
A kísérletek során az anyagot az abszolút nulla fokhoz közel hűtötték. Ilyenkor az anyag úgynevezett kvantumkritikus állapotba kerül, ami azt jelenti, hogy két különböző fázis határán egyensúlyoz. A meglepetés pedig itt következett. A kvantumkritikus állapotot a fizikusok eddig olyan közegnek tartották, amelyben a topológiai rend nem tud fennmaradni, mert az erős kvantumfluktuációk „elmossák” az elektronok rendezett viselkedését. A mostani mérések azonban ennek az ellenkezőjét mutatták: az elektronok közötti kölcsönhatások nem rombolták le a topológiai állapotot, hanem éppen ezek tették lehetővé és stabilizálták azt. Vagyis a kvantumkritikus instabilitás nem akadálya, hanem feltétele lett egy új kvantumfázis kialakulásának.
A döntő bizonyítékot egy jól ismert, de szokatlan körülmények között fellépő jelenség, a Hall-effektus szolgáltatta. Normál esetben ez akkor figyelhető meg, amikor egy vezetőben áram folyik, és egy külső mágneses tér hatására az elektronok oldalirányba térülnek el. A mostani kísérletben azonban nem alkalmaztak mágneses teret, mégis ugyanilyen oldalirányú eltérést mértek. Ez arra utal, hogy az elektronok pályáját nem külső hatás, hanem az anyag belső, topologikus szerkezete irányította.
A kutatás ezzel még korántsem zárult le. A következő lépés annak vizsgálata, hogy ez a kvantumállapot más anyagokban is megjelenhet-e, illetve pontosan milyen feltételek szükségesek a kialakulásához. A felfedezés jelentősége túlmutat az elméleti fizikán: új irányokat nyithat a kvantumszámítógépek, az energiatakarékos elektronikai eszközök és az érzékeny mérési technológiák fejlesztésében.
Olvasd el ezt is!