Znanstvenici otkrili supervodič koji narušava simetriju vremena
Fizičari su otkrili neobično svojstvo materijala koje bi moglo otvoriti nova vrata u istraživanju kvantne fizike i budućih kvantnih računala. Riječ je o materijalu iterbij-diantimonidu (YbSb₂), koji se ponaša kao supervodič i pritom pokazuje nešto što je dosad bilo povezano uglavnom s drugim, egzotičnijim vrstama supravodljivih materijala – narušavanje simetrije vremenskog obrata.
Na prvi pogled izraz „narušavanje simetrije vremena” zvuči gotovo kao da su znanstvenici pronašli način da vrijeme teče unatrag. Međutim, riječ je o mnogo suptilnijem, ali za fiziku iznimno važnom fenomenu. On pokazuje da se u određenom kvantnom stanju materijala njegovo ponašanje ne može potpuno opisati kao jednako bez obzira na to zamišljamo li da vrijeme teče prema naprijed ili prema natrag.
Što je uopće supervodič?
Supervodiči su materijali koji pri dovoljno niskim temperaturama mogu provoditi električnu struju bez električnog otpora. U običnom vodiču dio energije elektrona gubi se u obliku topline, dok u supervodiču struja može teći bez tog uobičajenog gubitka energije. Problem je što se takvo ponašanje najčešće pojavljuje tek pri ekstremno niskim temperaturama. U slučaju novog materijala YbSb₂, prijelaz u supravodljivo stanje događa se na oko -272 °C, odnosno samo nešto više od apsolutne nule, koja iznosi -273,15 °C.
Supervodiči se mogu klasificirati na različite načine. Jedna podjela razlikuje konvencionalne i nekonvencionalne supervodiče, ovisno o načinu na koji se elektroni povezuju u takozvane Cooperove parove. Druga ih dijeli na supervodiče tipa I i tipa II, prema njihovom ponašanju u magnetskom polju.
Upravo je tu važnost novog otkrića.
Prvi supervodič tipa I s ovim neobičnim svojstvom
YbSb₂ pripada supervodičima tipa I. Znanstvenici su potvrdili njegovo ponašanje pomoću mjerenja električnog otpora, magnetizacije i toplinskih svojstava materijala. No kada su istraživači detaljnije proučili što se događa dok se materijal hladi i ulazi u supravodljivo stanje, pojavilo se nešto neočekivano.
Unutar materijala spontano su se pojavila vrlo slaba magnetska polja, i to bez primjene vanjskog magnetskog polja. Upravo je to bio ključni trag da je došlo do narušavanja simetrije vremenskog obrata.
Istraživači su do tog zaključka došli pomoću tehnike poznate kao mionska spin spektroskopija. Mioni su subatomske čestice koje se mogu koristiti kao vrlo osjetljive sonde za otkrivanje sićušnih magnetskih polja unutar materijala.
Drugim riječima, znanstvenici nisu samo pretpostavili da se simetrija vremena narušava. U materijalu su pronašli fizički trag koji odgovara takvom kvantnom stanju.
Što zapravo znači „simetrija vremena“?
U klasičnoj fizici mnoge jednadžbe funkcioniraju jednako ako smjer vremena matematički okrenemo. Zamislimo, primjerice, idealiziranu situaciju u kojoj dvije kugle udaraju jedna u drugu. Ako snimku pustimo unatrag, osnovni zakoni mehanike i dalje mogu opisivati takvo gibanje. U kvantnoj fizici stvari postaju mnogo složenije. Simetrija vremenskog obrata podrazumijeva da se fizikalni sustav ponaša na način koji je kompatibilan s matematičkom zamjenom smjera vremena. Kada je ta simetrija narušena, sustav razlikuje dva matematička smjera vremena na dubljoj kvantnoj razini.
Kod YbSb₂ ključnu ulogu imaju upravo magnetska svojstva. Kada bi simetrija bila očuvana, promjena smjera vremena promijenila bi smjer magnetskih polja na način koji bi ostavio sustav simetričnim. Spontana pojava unutarnjih magnetskih polja u supravodljivom stanju pokazuje da je ta simetrija narušena.
Važno je naglasiti: ovo nije dokaz da možemo putovati kroz vrijeme ili da je vrijeme fizički „pokvareno“. Riječ je o simetriji koja se pojavljuje u matematičkom opisu kvantnog sustava.
Elektroni koji se ponašaju drugačije
Još zanimljiviji dio otkrića odnosi se na način na koji se elektroni međusobno povezuju. U običnom opisu supravodljivosti elektroni stvaraju Cooperove parove. Kod YbSb₂ istraživači smatraju da se elektroni udružuju u neuobičajenom obliku koji se naziva spin-tripletno sparivanje.
Kod takvog sparivanja magnetski doprinosi elektrona ne poništavaju se u potpunosti. Nastaje neto magnetski moment, što može objasniti zašto se u materijalu pojavljuju sićušna magnetska polja bez vanjskog magnetskog utjecaja. Istraživački tim taj oblik stanja opisuje kao interno antisimetrično neunitarno tripletno stanje (INT). To je jedan od razloga zbog kojih je YbSb₂ toliko zanimljiv fizičarima. Materijal istodobno pokazuje svojstva koja se obično ne povezuju na ovaj način.
Mogli bi se pojaviti i Majoranini modovi
Računalni modeli koje su istraživači koristili sugeriraju da bi YbSb₂ mogao podržavati takozvane gapless Majorana površinske modove. Riječ je o kvantnim pobudama povezanima s Majoraninim česticama, odnosno stanjima koja se u određenim sustavima mogu ponašati kao vlastite antičestice.
To ne znači da su znanstvenici u ovom eksperimentu jednostavno pronašli „Majorana česticu“. Rezultati prije ukazuju na mogućnost da površina ovog materijala može podržavati posebne Majoranine kvantne modove.
Upravo bi ta mogućnost mogla biti važna za razvoj topoloških kvantnih materijala.
Kakve to veze ima s kvantnim računalima?
Jedan od najvećih problema kvantnih računala jest njihova osjetljivost.
Kvantne informacije lako mogu biti poremećene utjecajem okoliša, primjerice toplinom, elektromagnetskim šumom ili drugim neželjenim interakcijama. Zbog toga znanstvenici traže načine kako kvantna stanja učiniti stabilnijima.
Topološki materijali zanimljivi su upravo zbog mogućnosti da određena kvantna svojstva zaštite od dijela takvih utjecaja. Ako se buduća istraživanja potvrde i pokaže da YbSb₂ doista može podržavati predložene Majoranine površinske modove, materijal bi mogao postati zanimljiv kandidat za proučavanje robustnijih kvantnih sustava i potencijalno otpornijih oblika kvantnog računanja. No do praktične primjene još je vrlo dug put.
Zašto je ovo otkriće važno?
Najvažnija stvar nije samo otkriće još jednog neobičnog supervodiča. YbSb₂ otvara mogućnost proučavanja nekonvencionalnog supravodljivog ponašanja u materijalu tipa I, i to bez nekih složenih fenomena koji se pojavljuju u supervodičima tipa II. Znanstvenici su tako dobili novu vrstu „laboratorija“ za proučavanje načina na koji se elektroni povezuju, kako nastaju spontana magnetska polja i kako kvantna svojstva materijala mogu biti povezana s topološkim stanjima. Ovo je još jedan primjer koliko se na mikroskopskoj, kvantnoj razini priroda može ponašati drugačije od onoga što očekujemo iz svakodnevnog iskustva. Vrijeme za nas ima jasan smjer – prošlost je iza nas, a budućnost ispred nas. U jednadžbama fizike, međutim, pojam vremena može biti mnogo suptilniji. A novi supervodič YbSb₂ pokazuje da se u ekstremnim kvantnim uvjetima čak i jedna od temeljnih simetrija prirode može ponašati na neočekivan način.
Istraživanje na kojem se članak temelji objavljeno je u časopisu Physical Review Letters pod naslovom Observation of Time-Reversal Symmetry Breaking in the Type-I Superconductor YbSb₂.
Komentari