Ved å eksponere et honeycomb-lignende materiale med en bestemt type magnetfelt, gul pil, kan forskere skape orden blant løkkestrømmene, lyseblå, i det materialet. Elektroner, i grønt, kan da passere gjennom materialet mye lettere. Kreditt: Oak Ridge National Laboratory
Et nylig oppdaget, aldri før sett fenomen i en type kvantemateriale kan forklares med en serie summende, bielignende “løkkestrømmer”. Oppdagelsen fra fysikere ved University of Colorado Boulder (CU Boulder) kan en dag hjelpe ingeniører med å utvikle nye typer enheter, for eksempel kvantesensorer eller kvanteekvivalenten til datamaskinminnelagringsenheter.
Det aktuelle kvantematerialet er kjent med den kjemiske formelen Mn3Og2De6. Du kan imidlertid også ganske enkelt kalle den “bikekake” fordi dens mangan- og telluratomer danner et nettverk av sammenlåsende oktaedre som ser ut som cellene i en bikube.
“Vi har oppdaget en ny kvantetilstand av materie. Dens kvanteovergang er nesten som is som smelter til vann.” — Gjengen Cao
Da fysikeren Gang Cao og hans kolleger ved CU Boulder syntetiserte denne molekylære bikuben i laboratoriet deres i 2020, fikk de et sjokk: Under de fleste omstendigheter oppførte materialet seg mye som en isolator. Dette betyr at den ikke tillot elektriske strømmer å passere lett gjennom den. Men da de utsatte bikaken for magnetiske felt på en bestemt måte, ble den plutselig millioner av ganger mindre motstandsdyktig mot strømmer. Det var nesten som om materialet hadde forvandlet seg fra gummi til metall.
“Det var både forbløffende og forvirrende,” sa Cao, tilsvarende forfatter av den nye studien og professor ved Institutt for fysikk. “Vår oppfølgingsinnsats for å forfølge en bedre forståelse av fenomenene førte oss til enda mer overraskende funn.”
Han og kollegene tror nå de kan forklare den forbløffende oppførselen. Gruppen, som inkluderte flere doktorgradsstudenter ved CU Boulder, publiserte sine siste resultater i tidsskriftet Natur den 12. oktober.
Basert på eksperimenter i Caos laboratorium, rapporterer forskergruppen at bikaken under visse forhold florerer av små indre strømmer kjent som kirale orbitale strømmer eller sløyfestrømmer. Elektroner glider rundt i løkker innenfor hver av oktaedrene i dette kvantematerialet. Siden 1990-tallet har fysikere teoretisert at sløyfestrømmer kan eksistere i en håndfull kjente materialer, for eksempel høytemperatursuperledere, men de har ennå ikke observert dem direkte.
Cao sa at de kunne være i stand til å drive oppsiktsvekkende transformasjoner i kvantematerialer som det han og teamet hans snublet over.
“Vi har oppdaget en ny kvantetilstand av materie,” sa Cao. “Kvanteovergangen er nesten som is som smelter til vann.”
Kolossale endringer
Studiet huser på en merkelig egenskap i fysikk kalt kolossal magnetoresistens (CMR).
På 1950-tallet innså fysikere at hvis de eksponerte visse typer materialer for magneter som genererer en magnetisk polarisering, kunne de få disse materialene til å gjennomgå et skifte – noe som fikk dem til å bytte fra isolatorer til mer ledningslignende ledere. I dag dukker denne teknologien opp i datamaskindiskstasjoner og mange andre elektroniske enheter der den hjelper til med å kontrollere og flytte elektriske strømmer langs forskjellige veier.
Imidlertid er den aktuelle bikaken svært forskjellig fra disse materialene – CMR oppstår bare når forholdene unngår den samme typen magnetisk polarisering. Cao la til at skiftet i elektriske egenskaper også er mye mer ekstremt enn det du kan se i noe annet kjent CMR-materiale.
“Du må bryte alle de konvensjonelle betingelsene for å oppnå denne endringen,” sa Cao.
Issmelting
Han og kollegene hans, inkludert CU Boulder-studentene Yu Zhang, Yifei Ni og Hengdi Zhao, ønsket å finne ut hvorfor.
De, sammen med medforfatter Itamar Kimchi fra Georgia Institute of Technology, traff ideen om sløyfestrømmer. I følge teamets teori sirkulerer utallige elektroner rundt inne i bikakene deres til enhver tid, og sporer kantene på hvert oktaeder. I fravær av et magnetfelt har disse sløyfestrømmene en tendens til å forbli uordnet, eller flyte i både med og mot klokken. Det er litt som biler som kjører gjennom en rundkjøring i begge retninger samtidig.
Denne forstyrrelsen kan forårsake “trafikkkorker” for elektroner som reiser i materialet, sa Cao, noe som øker motstanden og gjør bikaken til en isolator.
Som Cao sa det: “Elektroner liker orden.”
Fysikeren la imidlertid til at hvis du sender en elektrisk strøm inn i kvantematerialet i nærvær av en bestemt type magnetfelt, vil sløyfestrømmene begynne å sirkulere bare i én retning. Sagt annerledes, trafikkorkene forsvinner. Når det først skjer, kan elektroner farte gjennom kvantematerialet, nesten som om det var en metalltråd.
“De indre sløyfestrømmene som sirkulerer langs kantene av oktaedrene er ekstraordinært mottakelige for eksterne strømmer,” sa Cao. “Når en ekstern elektrisk strøm overskrider en kritisk terskel, forstyrrer den og til slutt ‘smelter’ sløyfestrømmene, noe som fører til en annen elektronisk tilstand.”
Han bemerket at i de fleste materialer skjer overgangen fra en elektronisk tilstand til en annen nesten øyeblikkelig, eller i løpet av billioner av et sekund. Men i hans honningkake kan den transformasjonen ta sekunder eller enda lenger å finne sted.
Cao mistenker at hele strukturen til honningkaken begynner å forvandles, med bindingene mellom atomer som brytes og omdannes i nye mønstre. Den typen omorganisering tar uvanlig lang tid, bemerket han – litt som det som skjer når is smelter til vann.
Cao sa at arbeidet gir et nytt paradigme for kvanteteknologier. Foreløpig vil du sannsynligvis ikke se denne honningkaken i noen nye elektroniske enheter. Det er fordi koblingsadferden bare skjer ved kalde temperaturer. Han og kollegene hans leter imidlertid etter lignende materialer som vil gjøre det samme under mye mer gjestfrie forhold.
“Hvis vi vil bruke dette i fremtidige enheter, må vi ha materialer som viser samme type oppførsel ved romtemperatur,” sa Cao.
Nå, den slags oppfinnelse kan være buzz-verdig.
Referanse: “Kontroll av kirale orbitale strømmer i et kolossalt magnetoresistansemateriale” av Yu Zhang, Yifei Ni, Hengdi Zhao, Sami Hakani, Feng Ye, Lance DeLong, Itamar Kimchi og Gang Cao, 12. oktober 2022, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05262-3