Kaj imata skupnega voda in kvantni materiali?
Da raziskovalci pri svojem delu nemalokrat doživijo presenečenje, širši javnosti je redko znano. V nedavni raziskavi je doc. dr. Denis Golež z Instituta »Jožef Stefan« in Univerze v Ljubljani s sodelavci iz ZDA iskal material, čigar fazni prehod iz kovine v izolator se obnaša podobno kot prehod vode v led. Zanimalo ga je le dejstvo, kako hitro se lahko ta prehod zgodi. Naletel pa je na povsem nepričakovane in nenavadne rezultate: laserski pulzi ne samo spremenijo material, ampak ustvarijo faze snovi, ki jih raziskovalci prej sploh niso poznali. Takšnim fazam snovi pravijo tudi skrita stanja, o njihovi potrditvi pa je poročala prestižna revija Nature Physics.
Vsi imamo izkušnjo, da pod 0 °C voda zamrzne v led. Se strinjate? To je res, če uporabimo navadno pitno vodo. Nekoliko presenetljivo pa lahko zelo čisto vodo s previdnim ohlajanjem ohranimo v tekočem stanju vse tja do skoraj -48 °C! Temu stanju vode pravimo podhlajena voda. Če boste tak poskus res izvedli doma, boste priča spektakularni pretvorbi: vodo izlijete iz steklenice in ta se hitro spremeni v led. Pri tem lahko ustvarjate ledene skulpture (glej sliko). Poskus pokaže, da lahko snov obstaja v agregatnem stanju, ki ni nujno stabilno. Za pojav podhlajene vode obstaja pomemben pogoj: ko vodo ohladimo do točke, da bi začela zmrzovati, ta ne zmrzne v trenutku, temveč jo moramo še naprej hladiti, da se celotna voda pretvori v led. V fiziki takšnim faznim prehodom pravimo prehodi prvega reda.
Pri opisanem eksperimentu z vodo je potrebna zelo natančna priprava. Predstavljajte si torej, kakšna natančnost je šele potrebna pri podobnem procesu v kvantnih materialih, saj so slednji zelo občutljivi na kakršne koli motnje. V kvantnih materialih vlogo vode prevzamejo elektroni. Agregatno stanje vode ustreza električnemu prevodniku, stanje ledu ustreza izolatorju in vlogo hladilnika prevzamejo močni in hitri laserski pulzi. Prav tako kot sprememba vode v led vzame nekaj časa, na Institutu »Jožef Stefan« (IJS) intenzivno preučujejo, kakšni so najkrajši možni časi za preklop med izolatorjem in kovino.
Analogijo z vodo so vzeli povsem resno in skupaj s kolegi iz ZDA (univerzi Cornell in Columbia) poiskali material, čigar fazni prehod iz kovine v izolator se obnaša podobno kot prehod vode v led, in ga našli v obliki kristala Ca2RuO4. Zastavili so si vprašanje, kako hitro lahko stanje spremenijo, a jih je pričakalo prijetno eksperimentalno presenečenje. Pričakovali so, da bo laserski pulz le pretvoril izolator v kovino, a se je izkazalo, da so lastnosti kovine nenavadne; na primer atomi so se nepričakovano odmaknili drug od drugega glede na njihovo ravnovesno stanje. Takšnim neobičajnim stanjem snovi v fiziki pravijo tudi skrite faze in kot eksotična kvantna stanja pritegnejo izredno zanimanje. To odkritje je bilo objavljeno v prestižni reviji Nature Physics.
Najbolj preproste analogije so tipično tudi najbolj daljnosežne. Prebojnost teoretičnega dela raziskav, ki so jih vodili raziskovalci na Institut »Jožef Stefan«, je v dejstvu, da analogija s podhlajeno vodo tudi na mikroskopskem nivoju deluje precej bolje, kot so si predstavljali. To za eksperimentalne kolege odpre cel razred materialov, ki so kandidati za nove skrite faze snovi. Tekma za nadaljna odkritja je tako široko odprta in doc. dr. Denis Golež s svojimi sodelavkami in sodelavci aktivno nadaljuje te raziskave na Institutu »Jožef Stefan«.
Omenjene pretvorbe med izolatorjem in kovino bi v prihodnosti lahko uporabili kot izjemno hitra stikala, ki delujejo pri zelo nizkih temperaturah in v takšnem okolju standardna elektronika odpove. Slednje je pomembno pri gradnji elektronike za sodobne kvantne tehnologije, na primer v kvantnih računalnikih, ki tipično delujejo ravno v takem okolju.
Foto: IJS
