Rubrika: Kvantová fyzika

Vědci objevili zcela novou kvantovou fázi hmoty na rozhraní dvou exotických materiálů

Mezinárodní tým fyziků z Rutgers University a americké National High Magnetic Field Laboratory ohlásil průlomový objev.
Na rozhraní dvou extrémně vzácných materiálů vznikl neočekávaný kvantový stav hmoty označovaný jako kvantový tekutý krystal.
Chování elektronů v této fázi popírá klasická fyzikální pravidla a otevírá novou kapitolu ve výzkumu kvantových materiálů.

Když se potká Weylův polokov a spinový led

Experiment využil dvě extrémně odlišné třídy materiálů. První byl takzvaný Weylův semimetal, známý svými kvazičásticemi
chovajícími se jako bezhmotní fermioni. Druhý materiál byl magnetický spinový led, kde se magnetické momenty atomů
uspořádávají podobně jako protony ve vodním ledu. Každý z těchto materiálů samostatně vykazuje netradiční kvantové chování.

Výrazná novinka se objevila až ve chvíli, kdy vědci oba materiály spojili a vystavili extrémně silnému magnetickému poli.
Na jejich rozhraní vznikl dosud nepoznaný kvantový stav hmoty. Elektrony se začaly pohybovat šesti různými směry,
což odporuje běžné rotační symetrii a popisuje takzvanou elektronovou anizotropii, kterou nelze vysvětlit klasickými modely.

Nová kvantová fáze hmoty: tekutý krystal elektronů

Tento nově objevený stav vědci označují jako kvantový tekutý krystal.
Kombinuje vlastnosti tekutiny a pevné látky. Elektrony se uspořádávají do určité struktury,
ale zároveň si zachovávají schopnost volného pohybu. Podobné jevy byly teoreticky předpovídány,
avšak dosud nebyly experimentálně ověřeny.

Zlom spočívá v tom, že elektronová struktura porušuje rotační symetrii.
Elektrony tak nevykonávají izotropní pohyb, ale přednostně upřednostňují několik přesných směrů.
To je jasným projevem kvantového stavu, který nemá v klasické fyzice žádný ekvivalent.

Proč jde o přelom v kvantové fyzice

Objev této fáze je zásadní hned z několika důvodů. Za prvé dokazuje, že interakce na atomární úrovni mohou vytvářet stavy hmoty,
které se neobjevují v žádném známém materiálu samostatně. Za druhé odhaluje nové mechanismy kvantové anizotropie,
které mohou hrát zásadní roli ve fyzice topologických izolantů a kvantových spinových kapalin.

Výzkum dále naznačuje, že hranice mezi různými typy kvantových materiálů mohou být zdrojem dosud neznámých jevů.
Tento objev také podporuje hypotézu, že nové kvantové fáze mohou vznikat především ve speciálně navržených heterostrukturách,
kde se mění symetrie i charakter elektronových interakcí.

Možné aplikace budoucnosti

Objev kvantového tekutého krystalu otevírá cestu k vývoji citlivějších kvantových senzorů, zařízení pro extrémní prostředí
a materiálů s přesně řízenými elektromagnetickými vlastnostmi. Takové materiály mohou být využity například v kosmických technologiích,
fúzních reaktorech nebo kvantových počítačích nové generace.

Kvantová anizotropie může umožnit konstrukci zařízení, která reagují na magnetická pole s nebývalou přesností.
V budoucnosti by se tak mohly objevit i nové technologie pro detekci temné hmoty nebo pro měření deformací časoprostoru.

Oficiální zdroje a další čtení

Původní vědecké práce a zdroje informací najdete zde:

• 
  Science Advances: Electronic anisotropy and rotational symmetry breaking at a Weyl semimetal spin ice interface
  
• 
  National High Magnetic Field Laboratory
  
• 
  Rutgers University Department of Physics and Astronomy