Új kvantumállapotot fedeztek fel
2026. 01. 15. 09:30:11
Fizikusok nemzetközi csapata felfedezte az anyag egy új kvantumállapotát, amely összeköti a fizika két korábban elkülönült területét – ez a felfedezés átalakíthatja a kvantumtechnológiák fejlesztését a számítástechnika, érzékelés és elektronika területén.
A január 14-én a Nature Physics folyóiratban publikált kutatást a Rice Egyetem Qimiao Si és a Bécsi Műszaki Egyetem Silke Bühler-Paschen vezetésével végezték. A csapat felfedezte, hogy az erős elektronkölcsönhatások topológiai viselkedést képesek létrehozni egy anyagban még akkor is, amikor az elektronok hagyományos részecskeképe teljesen összeomlik, felülírva ezzel a szilárdtestfizika régóta elfogadott feltevéseit.
Két kvantumvilág egyesítése
A kvantumkritikusságot és az elektronikus topológiát hagyományosan két különálló jelenségként tanulmányozták. A topológia, amely az elektronok hullámviselkedésében megfigyelhető stabil geometriai mintázatokat írja le, jellemzően gyenge elektronkölcsönhatásokkal rendelkező anyagokban volt megfigyelhető. A kvantumkritikusság, ahol az elektronok különböző rendezett állapotok között fluktuálnak, erősen korrelált elektronokkal rendelkező rendszerekben fordul elő.
„Azzal, hogy egyesítettük ezeket a területeket, feltérképezetlen területre merészkedtünk” – mondta Lei Chen társelsőszerző, a Rice Egyetem PhD hallgatója. „Meglepődtünk, amikor felfedeztük, hogy maga a kvantumkritikusság képes topológiai viselkedést létrehozni, különösen erős kölcsönhatásokkal jellemezhető környezetben.”
A kísérleti áttörés a bécsi Műszaki Egyetemen történt, ahol Diana Kirschbaum, a tanulmány első szerzője spontán Hall-effektust figyelt meg a CeRu₄Sn₆ nehézfermion-vegyületben az abszolút nulla fok feletti egy foknál alacsonyabb hőmérsékleteken. Ez a hatás, amelynél az elektronok minden külső mágneses mező nélkül eltérülnek, a topológiai állapotok jellegzetes jele. „A topológiai hatás pontosan ott a legerősebb, ahol az anyag a legnagyobb fluktuációkat mutatja” – mondta Kirschbaum. „Amikor ezeket a fluktuációkat nyomással vagy mágneses térrel elnyomjuk, a topológiai tulajdonságok eltűnnek.”
Egy új tervezési elv
A felfedezés megállapítja, hogy a topológiai állapotok általánosabb jelenségek, mint azt korábban gondolták. A Rice-on kifejlesztett elméleti modell szerint topológiai tulajdonságok akkor is kialakulhatnak, amikor az elektronok elveszítik részecske-jellegüket – egy olyan forgatókönyv, amelyet korábban lehetetlennek tartottak. „Ez óriási meglepetés volt” – mondta Bühler-Paschen. „Ez azt mutatja, hogy a topológiai állapotokat általánosabb értelemben kell definiálni… kísérleteink arra utalnak, hogy topológiai tulajdonságok éppen azért is kialakulhatnak, mert a részecske-szerű állapotok hiányoznak.” A felfedezés új stratégiát kínál a topológiai anyagok azonosítására: a kvantumkritikus rendszerek közötti keresés révén, amelyek számos anyagosztályban előfordulnak. Ez a kapcsolat lehetővé teheti számos új „emergáló” topológiai anyag felfedezését.
A technológiára gyakorolt hatások
A kvantumkritikusság és a topológia közötti kapcsolat forradalmasíthatja a kvantumos technológiafejlesztést. A topológiai anyagok ellenállnak a zavarásnak, míg a kvantumkritikusság fokozza az összefonódást, így ez a hibrid állapot potenciálisan értékes lehet számítástechnikai és érzékelési alkalmazásokban. „A kutatási eredmények egy hiányosságot pótolnak a kondenzált anyagok fizikájában azzal, hogy kimutatják: az erős elektronkölcsönhatások topológiai állapotokat hozhatnak létre ahelyett, hogy tönkretennék azokat” – mondta Si. „Ez nem csupán egy elméleti felismerés, hanem egy lépés olyan valódi technológiák kifejlesztése felé, amelyek a kvantumfizika legmélyebb elveit hasznosítják.” A tanulmányt az Air Force Office of Scientific Research, a National Science Foundation, a Robert A. Welch Foundation és a Vannevar Bush Faculty Fellowship támogatta.
(Nethuszár)
