Paradoksalno odkritje slovenskih znanstvenikov

Skupina raziskovalcev z odseka za fiziko trdne snovi in z odseka za teoretično fiziko Instituta Jožef Stefan (IJS) je pod vodstvom doc. dr. Andreja Zorka v električnem izolatorju, tj. v materialu, ki je popolno nasprotje kovine, paradoksalno, odkrila pojav, ki je bil prej znan le za električne prevodnike. O odkritju so pisali v prestižni znanstveni reviji Nature Physics.



Slovenski znanstveniki so odkrili Kondov pojav v kvantni spinski tekočini, »kjer magnetne vzbuditve, ki ne nosijo električnega naboja, prevzamejo vlogo prevodniških elektronov v kovini pri senčenju magnetnih nečistoč«, so sporočili iz IJS.

Vizualizacija Kondovega pojava, kjer magnetne vzbuditve (rdeče lučke) vedno bolj senčijo magnetne nečistoče (modre lučke), ko se temperatura znižuje:



Odkritje Kondovega pojava v kvantnih spinskih tekočinah je potencialno pomembno s tehnološkega vidika, saj to kvantno stanje predstavlja eno izmed obetavnih platform za izjemno zmogljive kvantne računalnike. Temeljni izziv sicer trenutno predstavlja učinkovita manipulacija tega stanja. V svojem delu slovenski fiziki predlagajo, da bi potreben nadzor nad stanjem kvantne spinske tekočine lahko dosegli z manipulacijo nečistoč, odkrit Kondov pojav pa bi pri tem služil kot vzvod med stanjem nečistoče in stanjem kvantne spinske tekočine.

Raziskovalci z IJS pojasnjujejo, da se električna upornost v kovini z nižanjem temperature zmanjšuje, saj zaradi pojemajočih nihanj kristalne mreže prevodniški elektroni vse lažje potujejo skozi snov, pri najnižjih temperaturah pa se ustali zaradi vedno navzočih strukturnih napak. Že v tridesetih letih prejšnjega stoletja so potrdili, da se takšno obnašanje izrazito spremeni, če kovina vsebuje magnetne nečistoče. Upornost namreč v tem primeru začne pri nizkih temperaturah naraščati s padajočo temperaturo. Pojav je ostal teoretično nepojasnjen vse do leta 1964, ko je japonski fizik Jun Kondo ugotovil, da gre za neintuitivno izražanje kvantne mehanike na makroskopski skali, ki se zgodi, ko prevodniški elektroni v kovini začnejo kolektivno senčiti magnetne nečistoče.

Kondov pojav je v nadaljnjih desetletjih postal eden najbolj proučevanih pojavov v fiziki trdne snovi. Omogoča namreč razumevanje in vpogled v nenavadne električne lastnosti široke palete trenutno zelo zanimivih materialov, od visokotemperaturnih superprevodnikov do kvantnih pik in topoloških izolatorjev. Vsi znani primeri Kondovega senčenja temeljijo na prevodniških elektronih in so zato omejeni na električne prevodnike. Slovenski fiziki Matjaž Gomilšek, Rok Žitko, Martin Klanjšek, Matej Pregelj in Andrej Zorko pa so zdaj skupaj s švicarskimi in kitajskimi kolegi prvič eksperimentalno potrdili obstoj Kondovega pojava v električnem izolatorju, kjer prevodniških elektronov kot doslej ključnega pogoja zanj sploh ni, so poudarili v sporočilu za javnost.



Na možen obstoj takšnega paradoksa so v zadnjih desetletjih opozarjali številni teoretiki, ki so preučevali kvantne spinske tekočine. V njih namreč močna kvantna prepletenost vodi do zelo nenavadnih magnetnih vzbuditev, tudi takšnih, ki se vedejo zelo podobno kot prevodniški elektroni v kovinah, čeprav so brez električnega naboja.