Naukowcy poczynili postępy w zrozumieniu zachowania dziwnego metalu zwanego kulą Y, który ma kluczowe znaczenie dla materiałów kwantowych nowej generacji i może napędzać przyszłe technologie. Wykorzystując promienie gamma w synchrotronie i spektroskopii Mossbauera, naukowcy odkryli niezwykłe fluktuacje ładunku elektrycznego kuli Y i odkryli, że te dziwne metale mogą utorować drogę nadprzewodnictwu wysokotemperaturowemu i innym zastosowaniom kwantowym.

Fizycy z Rutgers University przedstawili teoretyczne perspektywy eksperymentu z udziałem „dziwnego metalu”, który może odegrać kluczową rolę w rozwoju przyszłych technologii kwantowych.

Naukowcy badający związek zwany „Y-ball”, który należy do tajemniczej klasy „dziwnych metali” uważanych za kluczowe dla rozwoju zaawansowanych materiałów kwantowych, odkryli nowe metody badania i zrozumienia jego zachowania.

Wyniki eksperymentów mogą przyczynić się do powstania przełomowych technologii i urządzeń.

„Prawdopodobnie materiały kwantowe będą napędzać następną generację technologii, a dziwne metale będą częścią tej historii” – powiedział Piers Coleman, wybitny profesor w Centrum Teorii Materiałów Rutgersa na Wydziale Fizyki i Astronomii w Rutgers School of Arts and Sciences oraz jeden z teoretyków biorących udział w badaniu. „Wiemy, że dziwne metale, takie jak Y-ball, wykazują właściwości, które należy zrozumieć, aby opracować te przyszłe zastosowania. Jesteśmy prawie pewni, że zrozumienie tego dziwnego metalu da nam nowe pomysły i pomoże nam projektować i odkrywać nowe materiały”.

Relacja w czasopiśmie Nauka, międzynarodowy zespół naukowców z Rutgers, University of Hyogo i University of Tokyo w Japonii, University of Cincinnati i Johns Hopkins University opisał szczegóły ruchu elektronów, które dostarczają nowego wglądu w niezwykłe właściwości elektryczne Y-ball. Materiał, technicznie znany jako związek YbAlB4, zawiera pierwiastki iterb, aluminium i bor. Został nazwany „Y-ball” przez nieżyjącego już Elihu Abrahamsa, założyciela i dyrektora Rutgers Center for Materials Theory.

Eksperyment ujawnił niezwykłe fluktuacje ładunku elektrycznego dziwnego metalu. Naukowcy stwierdzili, że praca jest przełomowa ze względu na nowatorski sposób, w jaki eksperymentatorzy zbadali kulę Y, strzelając w nią promieniami gamma za pomocą synchrotronu, rodzaju akceleratora cząstek.

Zespół Rutgersa – w tym Coleman, profesor fizyki Premala Chandra i były doktor habilitowany Yashar Komijani (obecnie adiunkt na Uniwersytecie w Cincinnati) – spędził lata badając tajemnice dziwnych metali. Robią to w ramach mechaniki kwantowej, praw fizycznych rządzących królestwem ultramałych, domem elementów budulcowych natury, takich jak elektrony.

Analizując materiał za pomocą techniki znanej jako spektroskopia Mossbauera, naukowcy sondowali kulę Y promieniami gamma, mierząc szybkość, z jaką zmienia się ładunek elektryczny dziwnego metalu. W konwencjonalnym metalu podczas ruchu elektrony wskakują i wyskakują z atomów, powodując fluktuacje ich ładunku elektrycznego, ale w tempie tysiące razy zbyt szybkim, aby można je było zobaczyć za pomocą spektroskopii Mossbauera. W tym przypadku zmiana nastąpiła w ciągu nanosekundy, jednej miliardowej części sekundy.

„W świecie kwantowym nanosekunda to wieczność” – powiedział Komijani. „Przez długi czas zastanawialiśmy się, dlaczego te fluktuacje są tak powolne”. — Uznaliśmy — kontynuował Chandra — że za każdym razem, gdy elektron wskakuje do iterbu[{” attribute=””>atom, it stays there long enough to attract the surrounding atoms, causing them to move in and out. This synchronized dance of the electrons and atoms slows the whole process so that it can be seen by the Mossbauer.”

They moved to the next step. “We asked the experimentalists to look for these vibrations,” said Komijani, “and to our delight, they detected them.”

Coleman explained that when an electrical current flows through conventional metals, such as copper, random atomic motion scatters the electrons causing friction called resistance. As the temperature is raised, the resistance increases in a complex fashion and at some point, it reaches a plateau.

In strange metals such as Y-ball, however, resistance increases linearly with temperature, a much simpler behavior. In addition, further contributing to their “strangeness,” when Y-ball and other strange metals are cooled to low temperatures, they often become superconductors, exhibiting no resistance at all.

The materials with the highest superconducting temperatures fall into this strange family. These metals are thus very important because they provide the canvas for new forms of electronic matter – especially exotic and high-temperature superconductivity.

Superconducting materials are expected to be central to the next generation of quantum technologies because, in eliminating all electrical resistance, they allow an electric current to flow in a quantum mechanically synchronized fashion. The researchers see their work as opening a door to future, perhaps unimaginable possibilities.

“In the 19th century, when people were trying to figure out electricity and magnetism, they couldn’t have imagined the next century, which was entirely driven by that understanding,” Coleman said. “And so, it’s also true today, that when we use the vague phrase ‘quantum materials,’ we can’t really envisage how it will transform the lives of our grandchildren.”

Reference: “Observation of a critical charge mode in a strange metal” by Hisao Kobayashi, Yui Sakaguchi, Hayato Kitagawa, Momoko Oura, Shugo Ikeda, Kentaro Kuga, Shintaro Suzuki, Satoru Nakatsuji, Ryo Masuda, Yasuhiro Kobayashi, Makoto Seto, Yoshitaka Yoda, Kenji Tamasaku, Yashar Komijani, Premala Chandra and Piers Coleman, 2 March 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.abc4787

The study was funded by the National Science Foundation, the U.S. Department of Energy, Japan Science and Technology Agency, the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology of Japan, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, and RIKEN.