“Dziwny” to drugie imię fizyki kwantowej. W tym egzotycznym świecie zdominowanym przez stany splątane i zjawisko superpozycji, nic nie jest intuicyjne. Są jednak pierwiastki określane mianem “dziwnych metali”, gdyż sposób, w jaki przewodzą prąd elektryczny, różni się od klasycznych metali. Jednym z nich jest iterb, który już od ponad 100 lat (odkryto go w 1907 r.) fascynuje naukowców.
Czytaj też: Błyskawica rozpędzona do setek kilometrów na sekundę. Materiał pokazuje, jak działają piorunochrony
W eksperymencie przygotowanym przez fizyka teoretycznego Yashara Komijaniego, adiunkta z Uniwersytetu w Cincinnati, stop iterbu poddano bombardowaniu promieni gamma i obserwowano jego niezwykłe właściwości elektryczne. Szczegóły opisano w Science, ale oferują więcej pytań niż odpowiedzi.
Dr Yashar Komijani mówi:
Pomysł jest taki, że w metalu masz morze elektronów poruszających się w tle na siatce jonów. Ale cudowna rzecz dzieje się z mechaniką kwantową. Możesz zapomnieć o komplikacjach związanych z siatką jonów. Zamiast tego zachowują się one tak, jakby były w próżni. Możesz umieścić coś w czarnej skrzynce i mogę ci powiedzieć wiele o tym, co jest w środku, nawet nie patrząc na to tylko poprzez pomiar takich rzeczy jak oporność, pojemność cieplna i przewodność. Ale jeśli chodzi o dziwne metale, nie mam pojęcia, dlaczego wykazują one takie zachowanie, jakie wykazują. Zagadką jest, dlaczego ładunek fluktuuje tak wolno w silnie skorelowanym układzie kwantowym?
Iterb trafiony, iterb wzbudzony
W badaniu wykorzystano ß-YbAlB4, stop iterbu, aluminium i boru, który wystawiono na działanie promieniowana gamma, aby zobaczyć, jak zmienia się reakcja w zależności od temperatury i ciśnienia. Sam eksperyment był o tyle przewrotny, że jednym z głównych zastosowań iterbu jest wytwarzanie promieniowania gamma.
Promieniowanie gamma powstaje zwykle w wyniku rozpadu radioaktywnego. Aby je wytworzyć na żądanie, uczeni przyspieszyli protony w synchrotronie i wykorzystali promienie powstające w wyniku zderzeń ze ścianami do przeprowadzenia spektroskopii Mössbauera – procesu, który może wykryć bardzo małe zmiany w środowisku chemicznym jąder atomowych. Gdy temperatury były na bardzo niskim poziomie, wraz ze wzrostem ciśnienia stop zmienił się dziwnego metalu w ciecz Fermiego. Naukowcy zbadali również szybkość fluktuacji ładunków elektrycznych metalu, które trwają zaledwie nanosekundę – miliardową część sekundy. W świecie kwantowym to cała wieczność.
Autorzy doświadczyli fluktuacji ładunku powodujących podwójny pik w widmie absorpcji. Widmo to interpretują jako “pojedynczą przemianę jądrową, modulowaną przez pobliskie elektronowe fluktuacje walencyjne”. Podwójny pik może być cechą charakterystyczną wszystkich dziwnych metali, która może być wykorzystana do ich identyfikacji.
Czytaj też: Tęcza może mieć kształt koła, ale żeby ją dostrzec musisz wydać nieco pieniędzy
Prof. Piers Coleman z Uniwersytetu Rutgersa mówi:
Rzeczą, która jest naprawdę ekscytująca w przeprowadzonych badaniach jest to, że zapewniają one nowy wgląd w wewnętrzną maszynerię dziwnego metalu. Te metale stanowią kanwę dla nowych form materii elektronicznej – zwłaszcza egzotycznej i wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa. Mówi się, że po tym jak Michael Faraday odkrył elektromagnetyzm, brytyjski kanclerz William Gladstone zapytał do czego to się przyda. Faraday odpowiedział, że choć nie wie, to jest pewien, że pewnego dnia rząd opodatkuje to.
O tym, ile innowacji umożliwiło odkrycie Faradaya, chyba nie trzeba nikogo przekonywać. Fizycy badający iterb czują się podobnie – nie wiedzą, do czego można wykorzystać dziwne metale, ale pewnego dnia będą one wszechobecne.