Οι κβαντικοί νόμοι κυκλοφορίας σε ένα τρισδιάστατο τοποίο ενός συγκεκριμένουη είδους κρυστάλλου, μπορουν να φρενάρουν την ώρα αιχμής των ηλεκτρονίων. Σε μια αναζήτηση για νέα υλικά που περιέχουν νέες καταστα΄σεις ύλης, φυσικοί από το Πανεπιστήμιο Rice των ΗΠΑ, δημιούργησαν ένα πείραμα που ανάγκασε τα ηλεκτρόνια ελεύθερης κυκλοφορίας, να μείνουν στατιθκά στην θέση τους!
Ενώ το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί σε υλικά όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται σε δύο μόνο διαστάσεις, αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται σε ένα τρισδιάστατο κρυσταλλικό μεταλλικό πλέγμα, γνωστό και ως πυροχλώριο. Η νέα τεχνική δίνει στους επιστήμονες ένα νέο εργαλείο για την μελέτη των λιγότερο συμβατικών δραστηριοτήτων από σωματίδια που μεταφέρουν φορτίο.
«Ψάχνουμε για υλικά όπου υπάρχουν δυνητικά νέες καταστάσεις ύλης ή νέα εξωτικά χαρακτηριστικά που δεν έχουν ανακαλυφθεί», λέει ο φυσικός Ming Yi του Πανεπιστημίου Rice.
Ακριβώς όπως το φως που αλλάζει τρόπους περιγραφής και μπορεί να είναι σε κυματοειδεί μορφή ή σωματιδιακή, έτσι συμβαίνει και μετα δομικά στοιχεία των ατόμων.
Η κυμματοειδής κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων είναι απαραίτητη για την κατανόηση του πως συντονίζουν την δραστηστιότητά τους υπό ορισμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, όταν είναι παγωμένα τα ηλεκτρόνια μπορούν να ενώσουν τις δυνάμεις τους, ώστε να ξεγλιστήσουν μέσα από στερέα υλικά, σαν φαντάσματα, δημιουργώντας ενεργειακά αποδοτικά υλικά, γνωστά και ως υπεραγωγοί.
Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μπορεί να ρυθμιστεί με πολλούς άλλους τρόπους. Με το να ρυθμίζουμε την κατάλληλη αναλογία των υλικών από τα οποία περνάνε, μπορεί να λειτουργήσει σαν φανάρια κυκλοφορίας, μειώνοντας την ροή τους σε ένα ευγενικό κοινό, που ονομάζεται γεωμετρική απογοήτευση!
Τα πυροχλώρια είναι πολύπλοκα ορυκτά με μορφολογική δομή που τα καθιστά χρήσιμα για μια σειρά ερευνητικών και βιομηχανικών υλοποιήσεων. Η κατασκευή τους από ένα μείγμα χαλού, βαναδίου και θείου, έδωσε στους ερευνητές ένα γεωμετρικά απογοητευμενο μέταλο, που θα μπορεί να οδηγήσει τα ηλεκτρόνια σε σημείο πνιγμού (ακινησίας).
«Αυτό το φαινόμενο κβαντικής παρεμβολής είναι ανάλογο με τα κύματα που κυματίζουν στην επιφάνεια μιας λίμνης και συναντώνται μετωπικά», λέει ο Yi.
“Η σύγκρουση δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα που δεν κινείται. Στην περίπτωση των γεωμετρικά απογοητευμένων υλικών πλέγματος, είναι οι ηλεκτρονικές λειτουργίες κυμάτων που παρεμβαίνουν καταστροφικά.”
Μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας επέτρεψε στην ομάδα να μετρήσει την ενέργεια και την ορμή των ηλεκτρονίων στο τρισδιάστατο πλέγμα, αποδεικνύοντας ότι το ένα δεν εξαρτιόταν από το άλλο ως συνήθως.
Σε αυτόν τον ασυνήθιστο χώρο που είναι γνωστός ως επίπεδη ζώνη , οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αδρανών ηλεκτρονίων διέπονται από ένα διαφορετικό σύνολο κανόνων που θα μπορούσαν – θεωρητικά – να δώσουν στους φυσικούς έναν νέο τρόπο κατανόησης ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων όπως η υπεραγωγιμότητα .
Ενώ παρόμοια εντοπισμένα ηλεκτρόνια έχουν παρατηρηθεί σε δισδιάστατα υλικά γνωστά ως πλέγματα Kagome, η εμφάνιση μιας επίπεδης ζώνης από παρεμβαλλόμενα κύματα που διασχίζουν ένα τρισδιάστατο πλέγμα παρέχει μια απόδειξη της ιδέας που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια εντελώς νέα κατηγορία υλικού.
Την πρώτη mirrorless κάμερα για τη Σελήνη ανέπτυξε η Nikon
«Το πυροχλώριο δεν είναι το μόνο παιχνίδι στην πόλη», λέει ο φυσικός Qimiao Si του Πανεπιστημίου Rice.
«Πρόκειται για μια νέα αρχή σχεδιασμού που επιτρέπει στους θεωρητικούς να προσδιορίζουν προγνωστικά υλικά στα οποία προκύπτουν επίπεδες ζώνες λόγω ισχυρών συσχετισμών ηλεκτρονίων».
Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Physics .
