Dolga desetletja je v fiziki veljalo skoraj aksiomsko prepričanje: superprevodnost in magnetizem se medsebojno izključujeta. Prisotnost magnetnega reda naj bi neizogibno porušila krhko stanje, v katerem elektroni tečejo brez upora. Toda zadnja eksperimentalna odkritja so to sliko resno omajala. Teoretični fiziki z Massachusetts Institute of Technology zdaj ponujajo razlago, ki bi lahko povezala navidez nezdružljiva kvantna pojava.
V zadnjem letu sta dva neodvisna poskusa, izvedena na različnih materialih, pokazala isto presenetljivo lastnost: soobstoj superprevodnosti in magnetizma. To je sprožilo temeljno vprašanje, kako lahko v istem materialu obstajata stanji, za kateri so fiziki dolgo menili, da se izključujeta.
Ekipa z MIT-a v članku, objavljenem v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences, predlaga, da se v določenih magnetnih materialih elektroni lahko razcepijo v kvazidelce, znane kot anyoni. V posebnih pogojih bi se ti eksotični delci lahko gibali usklajeno in brez trenja – podobno kot elektroni v klasičnih superprevodnikih, vendar po povsem drugačnem mehanizmu.
Če se ta razlaga izkaže za pravilno, bi to pomenilo obstoj nove oblike superprevodnosti, ki ne le dopušča magnetizem, temveč je z njim neločljivo povezana.
Superprevodnost brez kompromisa
„Preden lahko razglasimo zmago, bo potrebnih še veliko poskusov,“ opozarja Senthil Todadri, profesor fizike na MIT-u in vodilni avtor študije. „Vendar teorija kaže, da bi lahko obstajali povsem novi načini, kako nastane superprevodnost.“
V klasični razlagi so superprevodniki materiali, v katerih se elektroni povežejo v tako imenovane Cooperjeve pare. V tem stanju se lahko gibljejo brez upora, saj ne trkajo ob atomsko mrežo. Magnetizem pa nastane, ko imajo elektroni v materialu poravnane spine ali orbitalno gibanje – kar praviloma razbije Cooperjeve pare. Prav zato je soobstoj obeh pojavov dolgo veljal za nemogoč.
Nedavni poskusi pa so to predstavo postavili na glavo.
Eksperimenti, ki so odprli vrata teoriji
Eden ključnih prelomov se je zgodil, ko je raziskovalna skupina z MIT-a odkrila sočasno superprevodnost in magnetizem v romboedričnem grafenu, sestavljenem iz štirih ali petih plasti grafena. Kmalu zatem je druga ekipa poročala o podobnem pojavu v kristalu molibdenovega ditelurida (MoTe₂).
Posebej zanimivo je, da MoTe₂ v pogojih superprevodnosti kaže tudi tako imenovani frakcijski kvantni anomalni Hallov učinek. Pri tem se elektron obnaša, kot da bi se razdelil na več delcev – prav na anyone.
„Ko sem na konferenci prvič slišal predstavitev teh rezultatov, je bilo elektrizirajoče,“ se spominja Todadri. „To je oživilo razpravo in sprožilo vprašanje, ali morda gledamo uresničitev stare, dolgo zanemarjene ideje.“
Kdo so anyoni in zakaj so posebni
V standardni fiziki delce delimo na bozone in fermione. Bozoni, kot so fotoni, se radi združujejo, fermioni – med njimi elektroni – pa se zaradi kvantnih pravil medsebojno odbijajo. Anyoni pa predstavljajo tretjo možnost, ki obstaja le v dvodimenzionalnih sistemih.
Koncept anyonov je bil napovedan v 80. letih prejšnjega stoletja, ime pa je skoval Frank Wilczek z MIT-a. Že takrat so nekateri teoretiki predlagali, da bi v prisotnosti magnetizma prav anyoni lahko tvorili osnovo za nenavadno obliko superprevodnosti – zamisel, ki je bila dolgo odrinjena na rob znanosti.
Možna pot do kvantnih tehnologij
Če bi superprevodne anyone uspeli eksperimentalno potrditi in nadzorovati tudi v drugih materialih, bi to lahko imelo daljnosežne posledice. Ena od njih je razvoj stabilnejših kubitov, osnovnih gradnikov kvantnih računalnikov, ki bi bili manj občutljivi na motnje iz okolja.
„Če se bodo te teoretične ideje izkazale za pravilne, bi se lahko sanje o robustnih kvantnih sistemih nekoliko približale resničnosti,“ pravi Todadri.
Raziskava, pri kateri je sodeloval tudi doktorski študent Zhengyan Darius Shi, tako odpira novo poglavje v razumevanju kvantnih materialov – in nakazuje, da fizikalna pravila, za katera smo mislili, da so trdna, morda skrivajo več izjem, kot smo si predstavljali.
Foto: Unsplash/Wesley Ford
