محققان با ترکیب دو ماده عجیب فاز کوانتومی جدیدی کشف کردند

پژوهشگران دانشگاه راتگرز آمریکا حالت کوانتومی جدیدی از ماده با نام کریستال مایع کوانتومی کشف کردند. این فاز جدید از ترکیب یک ماده رسانا به نام نیم‌فلز وایل (Weyl) و یک ماده مغناطیسی عایق موسوم به یخ اسپینی پدیدار شده است.

محققان دانشگاه راتگرز می‌گویند ترکیب این دو ماده در دمای بسیار پایین و میدان‌های مغناطیسی قوی، رفتاری ایجاد می‌کند که در بررسی جداگانه هیچ‌یک از آن‌ها دیده نمی‌شود. دو ماده استفاده‌شده در این آزمایش شامل نیم‌فلز وایل و یخ اسپینی هستند که هر دو به خانواده پیروکلرهای مغناطیسی تعلق دارند. این ساختار لایه‌ای نازک که از اتصال دو ماده متفاوت ساخته شده، ساختار ناهمگون نامیده می‌شود.

کشف فاز کوانتومی جدید ماده

در مرز میان این دو ماده، ویژگی‌های مغناطیسی یخ اسپینی نحوه حرکت الکترون‌ها را در نیم‌فلز وایل تغییر می‌دهد. این برهم‌کنش منجر به پدیده‌ای به نام ناهمسانگردی الکترونی می‌شود؛ به این معنا که رفتار الکتریکی ماده در جهت‌های مختلف تغییر می‌کند.

پژوهشگران در میدان‌های مغناطیسی قوی مشاهده کردند که رسانایی الکتریکی در یک دایره ۳۶۰ درجه، در شش جهت مشخص به کمترین میزان خود می‌رسد. علت این رویداد جفت‌شدگی کوندو یا برهم‌کنش میان الکترون‌های متحرک و گشتاورهای مغناطیسی موضعی عنوان شده است. این فرایند با حالت‌های قوس فرمی که از ویژگی‌های الکترونی سطح نیم‌فلزهای وایل است، پیوند دارد.

با افزایش بیشتر میدان مغناطیسی، الگوی حرکت الکترون‌ها تغییر کرد و جریان الکتریکی تنها در دو جهت مخالف برقرار شد. این تغییر رفتار نشان‌دهنده شکل‌گیری یک حالت چندجسمی جدید است که از برهم‌کنش هم‌زمان جمع کثیری از ذرات ناشی می‌شود.

پژوهشگران اعلام کرده‌اند که درک نحوه حرکت الکترون‌ها در این شرایط می‌تواند به طراحی نسل جدیدی از حسگرهای کوانتومی فوق‌العاده حساس برای سنجش میدان‌های مغناطیسی کمک زیادی کند. این حسگرها می‌توانند در شرایط سخت مانند فضا یا داخل دستگاه‌های صنعتی پیشرفته کاربرد داشته باشند.

محققان می‌گویند: «ما فازهای کوانتومی جدیدی را مشاهده کردیم که فقط هنگام برهم‌کنش این دو ماده ظاهر می‌شوند. این امر یک حالت توپولوژیک کوانتومی جدید در میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند که پیش از این ناشناخته بود.»

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Science Advances منتشر شده است.