En krystall med en villedende enkel formel har blitt avslørt som viser uventet kompleks kvanteatferd. Samspillet mellom elektroner i krystallen går langt utover alt som tidligere er sett eller forutsagt. Å forklare dem krever å dykke ned i områder av matematikk som tidligere ble antatt å ha liten eller ingen sammenheng med subatomære partikler.
I følge partikkelmodellen vi lærer på skolen, skal elektroner frastøte hverandre, siden de begge har negativ ladning. Imidlertid kan de under visse omstendigheter bindes sammen for å danne Cooper parhvis felles bevegelse overvinner motstand, noe som fører til det uhyre viktige fenomenet superledning.
Fysikere har begynt å oppdage at elektroner i krystaller også kan kobles sammen på langt mer eksotiske måter. Et papir i Natur har trappet opp et hakk, rapporterer om kvanteløkker som danner seg til knuter og andre former beskrevet av obskure nisjer av topologi. Hvorvidt det vil føre til noe så verdensforandrende som superledning gjenstår å se, men det har samlet tidligere usammenhengende kunnskapsområder for å til og med komme i nærheten av å forstå hva som skjer.
En av kvanteteoriens sentrale oppdagelser er at subatomære partikler som elektroner oppfører seg både som partikler og bølger. Beskrivelser av deres bølgelignende oppførsel er gitt av bølgefunksjoner. Kvantetopologi utforsker formen til disse bølgene, inkludert en tidligere teoretisk struktur kjent som en Weyl løkke dannet av elektronbølgefunksjoner i krystaller.
Mange eksotiske kvanteatferder sees bare ved temperaturer nær absolutt null – slik tilfellet var med superledning i flere tiår. Imidlertid, i 2019, sløyfer Weyl ble beskrevet ved romtemperatur i Co2MnGa krystallmagneter. Kobolt, mangan og gallium er kanskje ikke de mest kjente materialene som finnes, men de er heller ikke så sjeldne. Å finne noe så komplekst i krystaller laget av bare disse tre, i et så enkelt kjemisk forhold, representerte en ganske overraskelse. “Høytemperatur”-superledere har til sammenligning formler som Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127.
Likevel ser det ut til at Co2MnGa har flere triks i ermet. Der andre eksempler på kvantetopologi involverte viklingsbølgefunksjoner, skjer noe annet i Co2MnGa.
“Her har vi i stedet koblede løkker – vår nyoppdagede knutetopologi er av en annen natur og gir opphav til forskjellige matematiske koblingstall,” sa Princeton University graduate student Tyler Cochranen forfatter på Nature-avisen, i en uttalelse. Et koblingsnummer er antall ganger en kurve slynger seg rundt en annen.
“Når flere Weyl-løkker eksisterer samtidig, blir det naturlig å spørre om de kan kobles sammen og knyttes på bestemte måter,” sa Princetons Professor Zahid Hasan.
Professor Hasan samlet et team som var i stand til å svare på disse spørsmålene, og kombinerte ferdigheter innen områder som tidligere var så urelaterte som fotoemisjonsspektroskopi – ved å bruke synkrotronstråling for å se hva materialene faktisk gjorde – og knuteteori for å forstå formene som ble observert. Det var nødvendig med rikelig med kvantemekanikkekspertise for å bygge bro mellom de to. De observerte tre sammenvevde sløyfer i en tredimensjonal torus og rapportere; “Hver løkke kobler hverandre løkke to ganger.”
«Historisk sett oppsto noen av de viktigste vitenskapelige oppdagelsene da mennesker la merke til nye sammenhenger mellom matematikk og naturfenomener. Det er alltid spennende å finne uventede eksempler på subtil matematikk i våre eksperimenter,” Hasan la til.
Visse matematikere har blitt rapportert å si at de valgte sine ekspertiseområder nettopp fordi det ikke var noen implikasjoner i den virkelige verden. Noen med en slik hensikt har valgt topologi, bare for å bli gjentatte ganger avviklet. Det er i det minste en sjanse for at dette vil skje igjen, med arbeidet med å finne en ennå uidentifisert applikasjon innen kvantedatabehandling eller telekommunikasjon.