Finski fizičari izradili su novi ultra tanki dvoslojni materijal s kvantnim svojstvima koja inače zahtijevaju spojeve rijetkih zemnih metala. Ovaj materijal je relativno jednostavan za izradu i ne sadrži rijetke zemne metale, a mogao bi pružiti novu platformu za kvantno računanje i unaprijediti istraživanje nekonvencionalne supravodljivosti i kvantne kritičnosti.

Kvantni fenomeni

Istraživači sa Sveučilišta Aalto pokazali su da se polazeći od naizgled uobičajenih materijala može pojaviti radikalno novo kvantno stanje materije. Otkriće, opisano u časopisu Nature, proizašlo je iz njihovih nastojanja da stvore kvantnu tekućinu spina (quantum spin liquid) koju bi mogli koristiti za istraživanje nastalih kvantnih fenomena kao što je baždarna teorija. To uključuje izradu sloja atomski tankog tantal disulfida, ali proces također stvara otoke koji se sastoje od dva sloja.

Kada je tim ispitao ove otoke, otkrio je da interakcije između dva sloja izazivaju fenomen poznat kao Kondoov efekt, što dovodi do makroskopski isprepletenog stanja materije koje stvara sustav teških fermiona.

Kondoov efekt je interakcija između magnetskih nečistoća i elektrona koja uzrokuje promjenu električnog otpora materijala s temperaturom. To dovodi do toga da se elektroni ponašaju kao da imaju veću masu, zbog čega se ti spojevi nazivaju teškim fermionskim materijalima. Ovi spojevi važni su za istraživanje kvantnih materijala. 

Topološki supravodiči

"Proučavanje složenih kvantnih materijala ometaju svojstva spojeva koji se pojavljuju u prirodi. Naš je cilj proizvesti umjetno dizajnirane materijale koji se mogu lako podešavati i kontrolirati izvana kako bismo proširili raspon egzotičnih fenomena koji se mogu realizirati u laboratoriju", kaže Peter Liljeroth, profesor na Odjelu za fiziku Sveučilišta Aalto gdje vodi istraživačku grupu za fiziku atomske skale.

Na primjer, teški fermionski materijali mogli bi djelovati kao topološki supravodiči, što bi moglo biti korisno za izradu kubita otpornijih na buku i perturbacije iz okoline, čime bi se smanjile stope pogrešaka u kvantnim računalima. 

"Imali bi ogromnu korist od posjedovanja teškog fermionskog materijala koji se može lako ugraditi u električne uređaje i ugađati izvana", objašnjava Viliam Vaňo, doktorand u Liljerothovoj grupi i glavni autor rada.

Kvantno kritična točka

Iako su oba sloja u novom materijalu tantal sulfid, postoje suptilne, ali važne razlike u njihovim svojstvima.

Jedan sloj se ponaša poput metala, provodeći elektrone, dok drugi sloj ima strukturnu promjenu koja uzrokuje lokalizaciju elektrona u pravilnu rešetku. Kombinacija slojeva rezultira pojavom fizike teških fermiona, koju niti jedan sloj ne pokazuje sam.

"Materijal može doseći kvantno kritičnu točku kada se počne kretati iz jednog kolektivnog kvantnog stanja u drugo, na primjer, od običnog magneta prema zapetljanom teškom fermionskom materijalu", objašnjava profesor Jose Lado. "Između ovih stanja cijeli sustav snažno reagira na najmanju promjenu i pruža idealnu platformu za inženjering još egzotičnije kvantne materije."

Finski istraživači planiraju istražiti kako sustav reagira na rotaciju svakog lista u odnosu na drugi i pokušati modificirati spajanje između slojeva kako bi se materijal prilagodio kvantno kritičnom ponašanju.