Anyoni kao uzrok kvantnih eksperimenata

U protekloj godini, dva odvojena eksperimenta na dva različita materijala otkrila su isti zbunjujući scenarij: koegzistenciju supravodljivosti i magnetizma. Znanstvenici su pretpostavljali da su ta dva kvantna stanja međusobno isključiva, jer bi prisutnost jednog trebala inherentno uništiti drugo.

Teorijski fizičari na MIT-u sada imaju objašnjenje kako bi se mogla pojaviti ova dualnost. U radu koji se pojavljuje u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, tim navodi da bi se pod određenim uvjetima elektroni magnetskog materijala mogli rascijepiti na dijelove sebe i formirati kvazičestice poznate kao "anyoni".

U određenim dijelovima, kvazičestice bi trebale teći zajedno bez trenja, slično načinu na koji se regularni elektroni mogu upariti i teći u konvencionalnim supravodičima.

Ako je scenarij tima točan, to bi uvelo potpuno novi oblik supravodljivosti, onaj koji traje u prisutnosti magnetizma i uključuje superstruju egzotičnih anyona umjesto svakodnevnih elektrona.

Štoviše, ako se ideja supravodljivih anyona može potvrditi i kontrolirati u drugim materijalima, to bi moglo pružiti novi način dizajniranja stabilnih kubita, "bitova" atomske skale koji kvantno mehanički interagiraju kako bi obrađivali informacije i provodili složene izračune daleko učinkovitije od konvencionalnih računalnih bitova.

Supravodljivost i magnetizam su makroskopska stanja koja nastaju ponašanjem elektrona. Materijal je magnet kada elektroni u njegovoj atomskoj strukturi imaju približno isti spin ili orbitalno gibanje, stvarajući kolektivnu silu privlačenja u obliku magnetskog polja unutar materijala kao cjeline.

Materijal je supravodič kada se elektroni koji prolaze kroz njega, u obliku napona, mogu spojiti u "Cooperove parove". U ovom združenom stanju, elektroni mogu kliziti kroz materijal bez trenja, umjesto da nasumično udaraju o njegovu atomsku rešetku.

Desetljećima se smatralo da supravodljivost i magnetizam ne bi trebali koegzistirati. Supravodljivost je osjetljivo stanje i svako magnetsko polje može lako prekinuti veze između Cooperovih parova. No ranije ove godine, dva odvojena eksperimenta dokazala su suprotno.

U prvom  eksperimentu, Long Ju s MIT-a i njegovi kolege otkrili su supravodljivost i magnetizam u romboedarskom grafenu, sintetiziranom materijalu napravljenom od četiri ili pet slojeva grafena.

Ubrzo nakon toga, drugi tim je izvijestio o sličnim dvojnim stanjima u poluvodičkom kristalu molibdenijevog ditelurida (MoTe2). Zanimljivo je da su uvjeti u kojima MoTe2 postaje supravodljiv isti uvjeti u kojima materijal pokazuje egzotični "frakcijski kvantni anomalni Hallov efekt" ili FQAH, fenomen u kojem bi se svaki elektron koji prolazi kroz materijal trebao podijeliti na dijelove sebe. Ove frakcijske kvazičestice poznate su kao "anyoni".

Anyoni postoje samo u dvodimenzionalnom prostoru. Ova treća vrsta čestica prvi je put predviđena 1980-ih, a ime joj je skovao Frank Wilczek s MIT-a, koji je to mislio kao ironičnu referencu na ideju da je, u smislu ponašanja čestice, „sve dopušteno“.

Nekoliko godina nakon što su anyoni prvi put predviđeni, fizičari poput Roberta Laughlina, Wilczeka i drugih također su teoretizirali da bi, u prisutnosti magnetizma, kvazičestice trebale biti sposobne za supravodljivost.

Istraživači su uzeli MoTe2 kao polazište za svoj teorijski rad. Modelirali su uvjete u kojima se pojavio fenomen FQAH u MoTe2, a zatim su promatrali kako će se elektroni cijepati i koje će se vrste anyona proizvoditi, kako su teoretski povećavali broj elektrona u materijalu.

Primijetili su da se, ovisno o gustoći elektrona u materijalu, mogu formirati dvije vrste anyona: anyoni s 1/3 ili 2/3 naboja elektrona. Zatim su primijenili jednadžbe kvantne teorije polja kako bi izračunali kako bi bilo koja od dvije vrste anyona međusobno djelovala i otkrili da kada su anyoni uglavnom 1/3, njihovo kretanje dovodi do uobičajene metalne vodljivosti.

Ali kada su anyoni uglavnom 2/3, ovaj određeni udio potiče normalno spore anyone da se umjesto toga kreću zajedno i formiraju supravodič, slično načinu na koji se elektroni mogu spariti i teći u konvencionalnim supravodičima.

„Ako je naše objašnjenje temeljeno na anyonu ono što se događa u MoTe2, to otvara vrata proučavanju nove vrste kvantne materije koja se može nazvati 'anyonska kvantna materija'“, kaže glavni autor studije Senthil Todadri, profesor fizike na MIT-u. „Ovo će biti novo poglavlje u kvantnoj fizici.“