Fermionom in bozonom so se pridružili še anjoni

Ljubljana – Skupina raziskovalcev Odseka za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan, ki jo je vodil Martin Klanjšek, je potrdila razmišljanje Nobelovega nagrajenca Franka Wilczeka o nenavadnih delcih, ki naj bi v naravi obstajali poleg že znanih fermionov in bozonov. V članku v prestižni reviji Nature Physics je poročala o obstoju dveh vrst nenavadnih anjonskih kvazidelcev v kvantnem magnetu α-RuCl3.

Pred štirimi desetletji je Nobelov nagrajenec Frank Wilczek razmišljal o nenavadnih delcih, ki ne bi bili niti fermioni niti bozoni; vsi doslej v naravi zaznani delci pripadajo eni izmed teh dveh družin. Fermioni, kakršen je elektron, so individualisti. Neradi so v istem kvantnem stanju, zaradi česar se elektroni v atomu razporedijo po lupinah, kar je osnova za periodni sistem elementov. Bozoni, kakršen je kvant svetlobe foton, so po drugi strani konformisti. Radi so v istem kvantnem stanju, kar s pridom izkoriščamo pri delovanju laserja, močnega izvora koherentne svetlobe. Wilczek pa je razmišljal o delcih, ki ne bi bili niti fermioni niti bozoni, temveč karkoli vmes, angleško »any«, zaradi česar jim je nadel ime anjoni.



Takšnih delcev v naravi do zdaj niso zaznali. Rusko-ameriški fizik Alexei Kitaev jih je teoretično predstavil v zelo odmevni napovedi, ki je eksperimentalne fizike množično zaposlovala zadnjih dvanajst let. Te dni pa je skupina slovenskih fizikov, ki so jo sestavljali Nejc Janša, Andrej Zorko, Matjaž Gomilšek, Matej Pregelj in Martin Klanjšek, skupaj s sodelavci iz Švice potrdila njihov obstoj v kvantnem magnetu α-RuCl3.

Anjonski kvazidelci v naravi in snovi

Nove delce je razen v naravi, kjer so lahko prosti, mogoče iskati tudi v snovi. Ker v tem primeru niso prosti, temveč so vezani na snov, jim pravimo kvazidelci. Alexei Kitaev je leta 2006 v izjemno odmevnem članku napovedal, da bi lahko anjonski kvazidelci obstajali v posebni vrsti ravninskega kvantnega magneta s šestkotno mrežo. Nekaj doslej znanih primerov takšnega kvantnega magneta je raziskovalcem uspelo ustvariti šele v zadnjih letih. Najobetavnejšega med njimi, plastoviti kristal α-RuCl3, so fiziki po svetu zavzeto proučevali zadnja tri leta, predvsem z namenom, komu bo prvemu uspela potrditev ali ovržba obstoja anjonov. Pred enim letom se je v to bitko vključila tudi skupina slovenskih fizikov, ki ji je potrditev obstoja anjonov v α-RuCl3 uspela, ker je rezultate svojih meritev znala razumeti na povsem nov in do takrat neuporabljen način.


 
Anjoni so privlačni predvsem zato, ker jih je mogoče med seboj zvezovati na enak način, kot je mogoče med seboj zvezovati vrvi, da nastanejo vozli. Ker so kvantni pojavi na splošno zelo občutljivi na neizogibne motnje, so vozli kot topološko stabilne tvorbe v kvantni fiziki zelo iskani. Še več, vozli imajo spomin in z njihovo pomočjo je mogoče izvajati kvantne logične operacije. V svoji odmevni napovedi je Alexei Kitaev celo predvidel protokole delovanja morebitnega topološkega kvantnega računalnika, ki bi deloval na podlagi anjonov. Odkritje slovenskih fizikov torej predstavlja tudi korak proti uresničitvi topološkega kvantnega računalnika, ki še vedno velja za sveti gral tehnologije prihodnosti.