Fizičari su upravo pronašli nešto što niko nije očekivao, što vreba na površini kristala arsena.
Dok je sprovodio studiju kvantne topologije – talasastog ponašanja čestica u kombinaciji sa matematikom geometrije – tim je pronašao čudan hibrid dva kvantna stanja, od kojih svako opisuje različita sredstva struje.
„Ovo otkriće je bilo potpuno neočekivano“, kaže fizičar M. Zahid Hasan sa Univerziteta Prinston. „Niko to nije predvideo u teoriji pre njegovog posmatranja.
Topologija postaje sve važnija u razumevanju ponašanja materijala koje se može opisati samo pomoću talasnih svojstava, poznatih kao kvantna materija. S obzirom na geometriju struktura koje se ne menjaju efikasno kada se savijaju ili savijaju (ali mogu ako su slomljene ili probušene), topologija ima potencijal da utiče na kvantnu aktivnost materijala na različite načine.
Veliki deo tih istraživanja uključuje jedinjenja sa bazom bizmuta, pošto je bizmut efikasan topološki izolator – materijal čiji spoljašnji sloj deluje kao provodnik aktivnosti, a unutrašnji kao izolator. To znači da su elektroni unutra nepokretni, ali oni na površini i ivicama mogu se slobodno kretati.
Uobičajeno korišćen u poluprovodničkim materijalima, arsen se takođe može ponašati kao topološki izolator. Fizičari, uključujući Hasana i njegov tim, tražili su nova kvantna stanja u topološkim izolatorima, posebno onima koji mogu da rade na sobnoj temperaturi.
Materijali na bazi bizmuta pružili su mnogo uvida, ali zahtevaju visoke temperature i komplikovani su za sintetizu i pripremu. Arsen se, naprotiv, može uzgajati u obliku koji je čistiji od bizmuta i jednostavniji za pripremu. Tako su istraživači uzgajali kristale sivog arsena, koji ima metalni izgled, i primenili magnetna polja.
Zatim su ispitali uzorak pomoću skenirajuće tunelske mikroskopije (STM), koja proizvodi slike na subatomskim skalama, i fotoemisione spektroskopije, koja je merila energetska stanja elektrona.
Pronašli su površinska stanja – stanja elektrona koja teku duž površina bez praznina nekih vrsta topološkog izolatora – što je bilo dobro i normalno. Ali niko nije očekivao šta su još pronašli – ivična stanja koja postoje na granicama potpuno drugačije vrste topološkog izolatora, a nikada ranije nisu viđena rame uz rame sa površinskim stanjima.
„Bili smo iznenađeni“, kaže fizičar dr Šafajat Hosejn sa Univerziteta Prinston. „Sivi arsen je trebalo da ima samo površinska stanja. Ali kada smo ispitali ivice atomskih stepenica, takođe smo pronašli prelepe modove provodnih ivica.“
Mogli su samo da zaključe da je ono što su posmatrali bilo hibridno stanje koje niko ranije nije video.
„Uobičajeno, smatramo da obimna trakasta struktura materijala spada u jednu od nekoliko različitih topoloških klasa, od kojih je svaka vezana za određeni tip graničnog stanja“, kaže fizičar David Hsieh iz Caltech-a, koji nije bio uključen u istraživanje.
„Ovaj rad pokazuje da određeni materijali mogu istovremeno pasti u dve klase. Najinteresantnije je da granična stanja koja proizilaze iz ove dve topologije mogu da interaguju i rekonstruišu se u novo kvantno stanje koje je više od samo superpozicije njegovih delova.“
Otkriće bi moglo da otključa novu vrstu kvantnih materijala, što bi zauzvrat moglo unaprediti istraživanja kvantne fizike, kao i tehnologije kao što je kvantno računarstvo.
„Zamišljamo da arsen, sa svojom jedinstvenom topologijom, može poslužiti kao nova platforma na sličnom nivou za razvoj novih topoloških materijala i kvantnih uređaja koji trenutno nisu dostupni preko postojećih platformi“, kaže Hasan.
„Očekuje nova uzbudljiva granica u nauci o materijalima i novoj fizici!“
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature.
