Connect with us

Pozdrav, koji sadržaj vas zanima?

Fizika

Kvantni fraktali na granici magnetizma

Nedavno istraživanje prijelaza između kvantnih stanja otkrilo je iznenađujuću vezu između magnetizma i elektriciteta. Tijekom istraživanja zagonetne vrste materijala, koja uključuje i visokotemperaturne supravodiče, njemački i austrijski fizičari objavili sukako su tijekom mjerenja došli do neočekivanog otkrića jednostavnog ponašanja elektronskih ekscitacija.

Pokusi izvršeni na magnetskim fermionskim metalima polučili suizravan dokaz o velikim elektronskim posljedicama kritičnih kvantnih efekata. Fizičari sa Sveučilišta u Houstonu, Max Planck instituta za fizikalnu kemiju krutog stanja i Max Planck instituta za fiziku kompleksnih sustava (oba su smještena u Dresdenu u Njemačkoj) te bečkog Tehnološkog sveučilišta ovaj su tjedan objavili rezultate eksperimenata i teoretskih razmatranja u znanstvenom časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Priroda visokotemperaturne supravodljivosti smatra se jednom od najvećih neriješenih zagonetki moderne fizike. Rezultati ovog istraživanja dodatno učvršćuju tezu o tome da usklađeni elektronski efekti, što uključuje i visokotemperaturnu supravodljivost, potječu iz kvantnih kritičnih točaka”, navodi Qimiao Si, fizičar s Ricea koji je ujedno bio i vodeći teoretičar na ovom istraživanju. “Naši pokusi jasno pokazuju kako varijable klasične fizike ne mogu objasniti sva mikroskopska svojstva materijala opažena na kvantnim kritičnim točkama”, ističe Frank Steglich, ravnatelj Max Planck instituta za fizikalnu kemiju krutog stanja te ujedno i vodeći eksperimentalac na ovom istraživanju.

Eksperimenti koje je provela Steglichova grupa izvršeni su na fermionskom metalu koji je sadržavao iterbij, rodij i silikon. Taj je materijal poznat i pod nazivom YbRh2Si2, tj. YRS. YRS jedan je od najpoznatijih i najčešće proučavanih kvantno kritičkih materijala. Kvantna kritičnost odnosi se na prijelaz između stanja, kritičnu točku u kojoj dolazi do nagle promjene u fizikalnim svojstvima materijala. Najčešće se za primjer prijelaza između stanja uzima proces otapanja leda i prijelaz u tekuće stanje. Pojam “kvantno kritična tvar” opisuje bilo koji materijal koji se nalazi u stanju prijelaza između stanja, pri čemu je taj prijelaz uzrokovan jedino podrhtavanjem subatomskih čestica u skladu s Heisenbergovim principom neodređenosti. Fermionski metali poput YRS-a pripadajutoj vrsti tvari. Postoje i mnogobrojni dokazi kako u istu skupinu pripadaju i visokotemperaturni supravodiči.

Znanstvenici nastoje bolje razumjeti visokotemperaturnu supravodljivost jer bi ona mogla pokrenuti tehnološku revoluciju. Moglo bi se konstruirati bolje generatore električne struje, bolje uređaje za magnetsku rezonancu, ultrabrze vlakove i druge nevjerojatne uređaje. Visokotemperaturna supravodljivost obično se pojavljuje na granici magnetizma. Neki fizičari vjeruju kako potječe od fluktuacija povezanih s magnetskom kvantnom kritičnosti. U magnetskim sustavima poput YRS-a, tradicionalne teorije pokušavaju odgonetnuti tajnu visokotemperaturne supravodljivosti razmatrajući magnetizam kao odvojenu pojavu. Takve teorije elektrone, koji su nosači električne struje, razmatraju kao mikroskopske detalje koji ne igraju nikakvu ulogu u kvantnoj kritičnosti.

Prije devet godina, 2001. godine, Si i njegovi kolege predložili su novu teoriju zasnovanu na novom tipu točke kvantne kritičnosti. Njihova “lokalna kvantna kritičnost” objedinjuje magnetizam i nabijene elektronske ekscitacije. Ključno predviđanje ove teorije jest kolaps Fermijevog volumena pri kvantnoj kritičnoj točki. “Fermijev volumen” odnosi se na kombinaciju momenata ili valnih duljina svih elektrona u kristaliničnoj krutini. Fermijev volumen postoji jer elektroni, koji inače pripadaju u skupinu elementarnih čestica pod nazivom “fermioni”, moraju zaposjedati različita kvantnomehanička stanja.

Nedavno objavljeni rezultati istraživanja YRS materijala kulminacija su preko sedam godina rada. Si, Steglich i njihovi suradnici 2004. godine objavili su prve dokaze o kolapsu Fermijevog volumena u kvantno kritičkim materijalima. Tri godine poslije objavili su pronalazak prvih indikatora veze između kolapsa Fermijevog volumena i termodinamičkih svojstava YRS materijala. U YRS materijalu prijelaz iz jednog u drugo kvantno stanje (točka prijelaza) označen je promjenom između magnetskog i nemagnetskog stanja. Hlađenjem YRS materijala na niz temperatura bliskih apsolutnoj nuli te prilagodbom magnetskog polja koje djeluje na superhladni YRS, Steglichov je tim bio u mogućnosti označiti točke u magnetskom kontinuumu koje označuju kako početak, tako i kraj kolapsa Fermijevog volumena.

U najnovijem je istraživanju ova metoda primjenjivana sistematično, na širokom rasponu temperatura i jakosti magnetskog polja. Ne bi li se eliminirala mogućnost nepoželjnog utjecaja nepravilnosti u pojedinim uzorcima, Steglichov je tim proučavao dva uzorka različitih kvaliteta, pri čemu je svaki od njih bio podvrgnut identičnom setu testova. Za svaki je oduzoraka mjerena “širina prijelaza”, udaljenost između početne i završne točke promjene Fermijevog volumena. Tijekom opširnog ispitivanja ustanovljeno je kako je promjena Fermijevog volumena poprilično velika te da se događa na manje-više isti način u različitim tipovima uzoraka. Pokusi su otkrili i nešto posve novo.

“Nakon stotina izvršenih eksperimenata, izveli smo širinu prijelaza kao funkciju temperature. Na grafu se pojavila ravna crta koja je prošla ravno kroz ishodište”, navodi Steglich. “Efekt je bio isti bez obzira na različitosti između analiziranih uzoraka. Dakle, uistinu se ne radi o problemu preparacije uzorka.” “Linearna neovisnost promjene Fermijeva volumena o temperaturi otkriva specifična kvantno kritična svojstva povezana s elektronskim ekscitacijama”, navode Si, Harry C. s Ricea i Olga K. Wiess koja radi kao profesorica fizike i astronomije. “Iznenađujuće jekoliko su elektronski efekti jaki na magnetskoj kvantnoj kritičnoj točki.”

Kakoje matematički opis elektronskihefekata sličan matematici fraktala, ovi se efekti mogu skalirati jer veze koje takvo skaliranje opisuju uvijek su iste, bez obzira na veličinu skale. Si navodi kako je skaliranje na kvantno kritičnoj točki također i dinamičko, što znači da se ne može prikazati samo kao funkcija udaljenosti već i kao funkcija vremena. “Ovi su pokusi po prvi puta polučili dokaze o jednom od glavnih svojstava kvantne kritičnosti. Točnije, o kolapsu Fermijevog volumena kao pokretačkoj sili dinamičkog skaliranja, bez obzira na magnetsku prirodu kvantnih prijelaza koji su ga uzrokovali”, navodi Silke Paschen, koautorica objavljenog članka, profesorica i direktorica Instituta za fiziku čvrstog stanja na bečkom Tehnološkom sveučilištu.

Izvor: Rice University

Ostavi komentar

Leave a Reply

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Oglašavanje

Možda će vas zanimati

Fizika

Zamislite da ste u parku i gledate list na grani drveta. Znamo da se svjetlost odbija s lista u vaše oko, i tako doznajete...

Neuroznanost

Znanstvenici koriste magnetizam kako bi aktivirali sitnu grupu stanica u mozgu, i na taj način izazvali tjelesne pokrete poput trčanja, rotiranja i gubitka kontrole...

Fizika

Koristeći super-ohlađene atome, fizičari su po prvi put proučili čudan fenomen zvan kvantnim magnetizmom, koji opisuje ponašanje pojedinačnih atoma poput sićušnih magneta. Kvantni magnetizam...

Biljke i životinje

Kad migriraju, buljooki lososi (lat. Oncorhynchus nerka) obično preplivaju oko 4000 milja (otprilike 6 500 km) do oceana i potom se godinama kasnije vraćaju...

Oglašavanje