Квантовите метали са метали, при които квантовите ефекти – поведения, които обикновено имат значение само в атомни мащаби – стават достатъчно мощни, за да контролират макроскопичните електрически свойства на метала.

Изследователи в Япония обясниха как се държи електричеството в специална група квантови метали, наречени кагоме метали. Изследването е първото, което показва как слабите магнитни полета обръщат малки електрически токове в тези метали. Това превключване променя макроскопичните електрически свойства на материала и обръща посоката, в която протича електрически поток по-лесно – свойство, известно като диоден ефект, при който токът тече по-лесно в едната посока, отколкото в другата.

Забележително е, че изследователският екип е установил, че квантовите геометрични ефекти усилват това превключване около 100 пъти. Изследването, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, предоставя теоретичната основа, която евентуално би могла да доведе до нови електронни устройства, контролирани от прости магнити.

Учените са наблюдавали това странно поведение на магнитно превключване в експерименти още през 2020 г., но не са могли да обяснят защо се е случило и защо ефектът е толкова силен. Това проучване предоставя първата теоретична рамка, обясняваща и двете.

Името „кагоме метал“ произлиза от японската дума „кагоме“, което означава „очи тип кошница“ или „модел тип кошница“, което се отнася до традиционна техника на тъкане на бамбук, създаваща преплетени триъгълни дизайни.

Тези метали са специални, защото атомите им са подредени в този уникален модел на тъкане тип кошница, който създава това, което учените наричат ​​„геометрична фрустрация“ – електроните не могат да се установят в прости, организирани модели и са принудени да преминат в по-сложни квантови състояния, които включват контурните токове.

Когато контурните токове вътре в тези метали променят посоката си, електрическото поведение на метала се променя. Изследователският екип показа, че контурните токове и вълнообразните електронни модели (вълни на плътност на заряда) работят заедно, за да нарушат фундаменталните симетрии в електронната структура. Те също така откриха, че квантовите геометрични ефекти – уникални поведения, които се срещат само в най-малките мащаби на материята – значително усилват ефекта на превключване.

„Всеки път, когато виждахме магнитното превключване, знаехме, че се случва нещо необикновено, но не можехме да обясним защо“, спомня си Хироши Контани, старши автор и професор от Висшето училище по природни науки в университета в Нагоя.

„Металите кагоме имат вградени усилватели, които правят квантовите ефекти много по-силни, отколкото биха били в обикновените метали. Комбинацията от тяхната кристална структура и електронно поведение им позволява едновременно да нарушават определени основни правила на физиката, феномен, известен като спонтанно нарушаване на симетрията. Това е изключително рядко срещано в природата и обяснява защо ефектът е толкова силен.“

Методът на изследване включваше охлаждане на металите до изключително ниски температури от около -190°C. При тази температура металът кагоме естествено развива квантови състояния, при които електроните образуват циркулиращи токове и създават вълнообразни модели в целия материал. Когато учените прилагат слаби магнитни полета, те обръщат посоката на въртене на тези токове и в резултат на това предпочитаната посока на протичане на тока в метала се променя.

Този пробив в квантовата физика не беше възможен доскоро, тъй като металите кагоме бяха открити едва около 2020 г. Въпреки че учените бързо наблюдаваха мистериозния ефект на електрическото превключване в експерименти, те не можаха да обяснят как работи.

Квантовите взаимодействия са много сложни и изискват задълбочено разбиране за това как контурните токове, квантовата геометрия и магнитните полета работят заедно – знания, които се развиват едва през последните години. Тези ефекти са също много чувствителни към примеси, напрежение и външни условия, което ги прави трудни за изучаване.

Снимка: Unsplash/Kano Okada, Nagoya University

Виж още: Докато гейм компаниите уволняват, Netflix търси ръководител на ИИ гейминга със заплата над 800 000 долара