Kvanttimekaniikka sanelee aineen uuden olomuodon

Kvanttimekaanisiin ilmiöihin liitetty topologinen järjestys näyttää olevan sovellettavissa myös klassisiin aineisiin.

"Keinotekoisen spin-jään" tietyissä olomuodoissa aine vaikuttaa olevan epäjärjestyksessä, mutta todellisuudessa se on järjestynyttä, mutta poikkeuksellisella tavalla, "topologisesti".

Vastikään löydetyn aineen olomuodon rakenne määrittyy pikemminkin kvanttimekaniikan kuin perinteisen termodynamiikan lakien mukaan.

"Tutkimuksemme osoittaa ensimmäisen kerran, että klassiset järjestelmät kuten keinotekoinen spin-jää voidaan suunnitella siten, että niissä on topologisesti järjestyneitä olomuotoja, joita on aiemmin löytynyt ainoastaan kvanttiolosuhteissa", toteaa teoriapuolta tutkinutta ryhmää Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa johtanut Christiano Nisoli. Kokeet tehtiin Illinois’n yliopistossa Peter Schifferin johdolla.

Tuoreessa tutkimuksessa tarkasteltiin tietyntyyppisen keinotekoisen spin-jään, Shakti-spin-jään, geometriaa. Yleensä tällaisten aineiden jäljille päästään teoreettisesti, mutta tällä kertaa erikoiset ominaisuudet löydettiin kokeellisesti.

Tutkijoiden selvittäessä Shakti-spin-jään ominaisuuksia PEM-elektronimikroskoopilla (Photoemission Electron Microscopy) he huomasivat, että toisin kuin muut keinotekoiset spin-jäät, jotka asettuivat alimmalle energiatasolleen lämpötilan laskiessa, Shakti-versio pysytteli sitkeästi samalla energiatasolla. Jonkin ominaisuuden täytyi säilyä lämpötilan laskusta huolimatta.


Juttu jatkuu mainoksen jälkeen

"Systeemi jumittuu siten, ettei se pysty järjestymään uudelleen, vaikka laajamittaisen järjestäytymisen avulla se voisi siirtyä alemmalle energiatasolle", Schiffer selittää.

Kun aineen rakennetta tarkasteltiin spin-ominaisuuksia laajemmassa mittakaavassa ja keskityttiin niistä seuraaviin systeemin viritystiloihin, Nisoli onnistui kuvailemaan alhaisen energiatilan tavalla, jossa käytettiin hyväksi jo aiemmin kehitettyä kvanttimekaanista mallia. Silloin kokeen tuottama tieto varmisti topologisen varauksen säilymisen, mistä oli seurauksena viritystilan pitkä kesto.

"Se on mielestäni hyvin jännittävää, sillä yleensä teoreettisissa tarkasteluissa siirrytään klassisesta fysiikasta kvanttifysiikkaan. Topologisen järjestäytymisen kanssa on toisin", Nisoli pohtii.

Uudesta aineen olomuodosta kerrottiin Los Alamosin kansallisen laboratorion uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Nature Physics -tiedejulkaisussa.

Kuva: Los Alamos National Laboratory