Novo odkritje slovenskih fizikov

Raziskovalci Instituta »Jožef Stefan« pod vodstvom prof. dr. Dragana Mihailovića so odkrili povsem novo zvrst snovi, ki je ni možno razumeti z obstoječo fiziko. V nenavadnem stanju snovi so elektroni ukleščeni v zgoščeni kvantni godlji, podobni prometnemu zastoju. Gre za odkritje povsem nove oblike materije, saj za osnovne delce tovrstni pojavi še niso bili znani. Raziskava je bila v celoti izvedena na posebnem mikroskopu na Institutu »Jožef Stefan«, o odkritju pa je poročala prestižna znanstvena revija Nature Materials.

Elektroni so verjetno najbolj pomembni osnovni delci v naravi. Tisočletja so nam poznani ob pojavu statične elektrike, bliska in magnetizma, njihov obstoj kot neodvisnih delcev pa je prvi potrdil Joseph John Thomson leta 1897. Eno od največjih uspešnic fizike dvajsetega stoletja je bilo dognanje, da se elektroni v kristalih gibajo v obliki valov v skladu s kristalno simetrijo. Slednje je privedlo do razumevanja lastnosti materialov in posledično tudi njihove uporabe. Elektroni so danes ključni za delovanje elektronike in računalništva in so s tem tudi gonilna sila globalne ekonomije.

Zagozdeni elektroni

Med poskusi, namenjenimi ustvarjanju novih oblik kvantnih materialov pod močno neravnovesnimi pogoji v kristalu tantalovega disulfida, je skupina raziskovalcev na Institutu »Jožef Stefan« s kratkimi laserskimi sunki ustvarila nenavadno gosto amorfno elektronsko snov, v kateri se zaradi medsebojnih interakcij elektroni zagozdijo. Odkritje spada na področje kvantne fizike in je fundamentalno pomembno, saj odpira novo področje, so sporočili z Instituta.





Razumevanje pojava predstavlja nov velik izziv za današnjo kvantno fiziko. Pojav zagozdenja elektronov lahko nastane vsepovsod tam, kjer imamo opravka s hitro kompresijo osnovnih delcev pri velikih gostotah, npr. v jedrih ali v nevtronskih zvezdah. Ima tudi potencialno uporabo, saj je pojav možno kontrolirati, ob njem pa se močno spremeni električna upornost snovi.

Pojav je skupina osmih fizikov pod vodstvom prof. dr. Mihailovića odkrila med raziskavami leta 2016; skupina je potem potrebovala tri leta, da je lahko pojav okarakterizirala in eksperimentalno potrdila. Hkrati je bilo potrebno vsaj delno poskusiti poiskati tudi teoretični model, kar pa je bolj izpostavilo dejstvo, da novo odkrito stanje ne sodi v siceršnje razumevanje fizike in predstavlja nov izziv izven obstoječih okvirov kvantne fizike.



Novo odkriti pojav lahko pojmujemo kot zagozdenje elektronov, ki nastane v procesu, ko njihova gostota hitro narašča. Zaradi medsebojnega odboja se ukleščijo v stanje, v katerem so prepleteni z drugimi, prostimi elektroni. Intuitivno vemo, da prometni zastoji nastanejo, ko se avtomobili v koloni zagozdijo (angleško ‘jamming’). Kar je nenavadno pri omenjeni snovi, je, da se zagozdenje pojavi med elektroni, ki jih kvantna mehanika po navadi pojmuje kot valove.

V eksperimentih, ki so jih izvedli raziskovalci z Instituta »Jožef Stefan«, se lepo prikaže dvoličnost kvantne mehanike, saj električna prevodnost novo nastale snovi ponazarja, da poleg zagozdenih elektronov v snovi hkrati obstajajo tudi prosti elektroni, ki se gibajo v valovih. Nekako tako kot na dvopasovni cesti, ko en pas zaradi gneče stoji, v vzporednem pasu pa promet prosto teče, včasih pa kako vozilo tudi preskoči iz enega pasu v drugega - seveda v primeru elektronov gre za kvantni preskok.



Raziskovalcem je novo snov uspelo posneti s posebnim mikroskopom, katerega razvoj je trajal šest let, njegov obstoj pa je omogočilo sodelovanje med nemškim podjetjem Omicron in Nanocentrom ter Institutom »Jožef Stefan«. Na začetku je bil financiran s sredstvi Centra odličnosti Nanocenter, po osnovnem zagonu pa so napravo v okviru ERC projekta še močno nadgradili.

Osnovni nizkotemperaturni mikroskop s štirimi konicami je edinstven v svetu, saj omogoča opazovanje neravnovesnih stanj, ustvarjenih z močnimi laserskimi žarki. Mikroskop pa ne omogoča le meritev položaja posameznih elektronov, ampak tudi njihovo gibanje, porazdelitev hitrosti in tudi istočasno meritev klasične električne upornosti samega materiala, v katerem pojav opazujemo. Podjetje Omicron je po vzoru te naprave izdelalo še nekaj podobnih, vendar pa za zdaj nobena od teh še nima možnosti meritev v kombinaciji z lasersko spektroskopijo, kar ostaja unikat v Sloveniji. Nadaljevanje dela zdaj financira projekt ARRS.
 

Ameriški razpis za nove raziskave

Odkritje je v celoti plod slovenske raziskovalne skupine. Od njene prve objave na tem področju leta 2014 v reviji Science so sorodne raziskave pričele številne raziskovalne skupine po svetu: na MIT-ju, Stanfordu, v več skupinah v Nemčiji, na Harvardu, Berkeley-ju in na ETHju v Švici ter na Institutu za fiziko kitajske akademije znanosti.

Ameriško obrabno ministrstvo pa je na osnovi objave skupine razpisalo razpis za raziskave na novonastalem področju. A najpomembnejše rezultate je tudi z današnjo objavo v prestižni znanstveni reviji Nature Materials pokazala prav skupina slovenskih fizikov z raziskavami na Institutu »Jožef Stefan«, kar je nedvomno nova potrditev uspešnosti slovenske znanosti.