Nature Communications jurnalında dərc olunmuş bir araşdırma, üçölçülü topoloji izolyatorda qeyri-adi bir kvant rəqsi formasını ortaya qoydu. Nəticələr göstərir ki, sirkonium pentatelluriddəki (ZrTe5) elektronlar _mütləq sıfıra yaxın temperatura və son dərəcə güclü maqnit sahələrinə məruz qaldıqda gözlənilməz şəkildə davrana bilər.

Tədqiqata Braziliyadakı San Paulo Universitetinin (USP), Los Alamos Milli Laboratoriyasının, Vaşinqton Universitetinin və digər ABŞ qurumlarının alimləri rəhbərlik edib. Komanda 60 tesla qədər güclü maqnit sahələrində və 0,7 kelvinə (-272,45 °C) yaxın temperaturda aparılan elektrik daşınması təcrübələrini ətraflı nəzəri hesablamalarla birləşdirib.

USP Fizika İnstitutunun (IF) professoru və Ekstremal Şərtlər Altında Kvant Maddəsi Laboratoriyasının (LQMEC) həmtəsisçisi və direktoru Julio Larrea Jimenez deyir: “Bu iş maddənin ekzotik fazalarında elektron daşınması haqqında anlayışımızı genişləndirir və topoloji izolyatorların təkcə elektrik yükünün deyil, həm də başqa bir fundamental sərbəstlik dərəcəsinin – elektron spinin daşınmasını dəstəklədiyini göstərir”.

Larrea, tədqiqatın ilk müəllifi Cauê Kaufmann Ribeiro-nun doktorantura məsləhətçisi vəzifəsində çalışmışdır. Ribeiro, təcrübi işin böyük bir hissəsini FAPESP Xaricdə Tədqiqat Təcrübəsi proqramı tərəfindən dəstəklənən ABŞ-ın Los Alamos şəhərindəki Milli Yüksək Maqnit Sahəsi Laboratoriyasında təcrübə zamanı həyata keçirmişdir. Orada olarkən, Johanna Palmstrom və Sean Thomas tərəfindən birgə məsləhətçi olmuşdur.

İki Elektron Şəxsiyyətə malik Material

Topoloji izolyatorlar qeyri-adi xüsusiyyətlər kombinasiyasına malikdir. Onların daxili hissələri elektrik izolyatorları kimi davranır, səthləri isə elektrik cərəyanını keçirə bilir. Bu davranış, kristal simmetriyaları ilə qorunan elektron vəziyyətlərinin kvant strukturunun geniş xüsusiyyətlərini təsvir edən elektron zolaqlarının topologiyasından irəli gəlir.

ZrTe ₅ , müxtəlif topoloji fazaları ayıran sərhədə yaxın yerləşdiyinə görə bu tip fizikanı öyrənmək üçün xüsusilə dəyərlidir. Temperaturda, mexaniki deformasiyada, kimyəvi tərkibdə və ya maqnit sahəsindəki kiçik dəyişikliklər onun elektron davranışını əhəmiyyətli dərəcədə dəyişdirə bilər. Bu həssaslıq ZrTe _5-i bərk cisimlərdə topoloji faza keçidlərini və relyativistik kvazipartikülləri araşdırmaq üçün vacib bir material halına gətirmişdir.

Elektronlar maqnit sahəsində hərəkət etdikdə, onların mümkün enerjiləri artıq davamlı bir diapazon yaratmır. Kvant mexanikası onları sovet fiziki və riyaziyyatçısı Lev Landaunun (1908-1968) adını daşıyan Landau səviyyələri kimi tanınan xüsusi enerji dəyərləri ilə məhdudlaşdırır.

Çox təmiz metallarda bu Landau səviyyələri, dolu və boş elektron halları arasındakı enerji sərhədi olan Fermi səviyyəsindən dəfələrlə keçə bilər. Hər bir kəsişmə elektrik müqavimətində bir salınım yarada bilər. Şubnikov-de Haas salınımları kimi tanınan bu təsirlər normal olaraq 1/B-də proqnozlaşdırıla bilən dövri bir nümunəni izləyir, burada B maqnit sahəsini təmsil edir.

Yox Olmaqdan İmtina Edən Kvant Salınımları

Tədqiqatçılar ZrTe _5-in bu tanış nümunəni izləmədiyini aşkar etdilər. Onun maqnitorezistans rəqsləri 1/B-də ənənəvi olaraq dövri deyildi və kvant həddinin çox kənarında davam etdi.

Bu nəticə təəccüblü idi, çünki kvant həddindən artıq elektronlar Landaunun ən aşağı səviyyəsi ilə məhdudlaşdırılmalı idi. Beləliklə, ənənəvi gözləntilərə əsasən, tanış rəqslər yox olmalı idi.

“Topoloji faza keçidlərinə yaxın materiallarda elektronlar metalın içərisindəki adi hissəciklər kimi davranmağı dayandıra bilər. Onların elektron həyəcanları Dirak fermionlarına, yəni relyativist hissəciklərə bənzər kvazipartiküllər kimi davranmağa başlayır. İşimizdə göstəririk ki, bu kvazipartiküllərin spini mərkəzi rol oynayır: güclü maqnit sahələri tətbiq etdikdə, spin və maqnit sahəsi arasındakı qarşılıqlı təsir elektronların enerji səviyyələrini dərindən dəyişdirir. Nəticədə, normal olaraq sistemin müvafiq enerjisindən uzaqlaşan Landau səviyyələri “qayıda” və yenidən onu keçə bilər. Bu qeyri-adi davranışı reentrant Landau səviyyələri adlandırırıq”, Kaufmann deyir.

Təsiri izah etmək üçün tədqiqatçılar Landau səviyyələrinin “geri əyilməsi” kimi tanınan bir proses təklif edirlər. Maqnit sahəsi artdıqca enerjilərini sadə, düz bir irəliləyişdə dəyişdirmək əvəzinə, bəzi Landau səviyyələri Fermi səviyyəsinə doğru geri əyilib yenidən onu keçə bilər. Bu yenilənmiş keçidlər, ənənəvi nəzəriyyənin salınımların artıq yoxa çıxmalı olduğunu proqnozlaşdırdığı bir rejimdə əlavə salınımlar yaradır.

Elektron Spin Təsviri Dəyişdirir

Qeyri-adi davranış iki fərqli fiziki təsir arasındakı qarşılıqlı təsirdən irəli gəlir. Biri elektronların maqnit sahəsindən orbital hərəkətindən qaynaqlanan siklotron enerjisidir. Digəri isə maqnit sahəsi ilə elektron spini arasındakı əlaqəni təsvir edən Zeeman effektidir.

_ZrTe5 kimi spin-orbit qarşılıqlı təsirinin güclü olduğu bir materialda bu iki töhfə müstəqil şəkildə nəzərdən keçirilə bilməz. Elektron spini və orbital hərəkət birləşir və bu da maqnit sahəsi dəyişdikcə Landau səviyyələrinin enerjilərinin qeyri-xətti şəkildə təkamül etməsinə səbəb olur.

Tədqiqatın əsas məqsədi anomal rəqslərə iki mümkün mexanizmdən hansının səbəb olduğunu müəyyən etmək idi. Bir ehtimal çoxsaylı elektronlar arasında kollektiv qarşılıqlı təsirlər nəticəsində yaranan çoxcisimli təsirlərlə bağlı idi. Digər ehtimal isə materialın elektron quruluşu ilə əlaqəli daxili topoloji xüsusiyyətlərlə bağlı idi.

Tədqiqatçılar bir çox elektronlar arasında qarşılıqlı təsirlərin onların nümunəsində müşahidə olunan davranışı izah etmək üçün tələb olunmadığını aşkar etdilər. Bunun əvəzinə, üçölçülü Dirak Hamiltonuna əsaslanan və güclü spin-orbit birləşməsini özündə birləşdirən tək hissəcikli model eksperimental rejimləri təkrarlaya bildi.

Larrea ümumiləşdirir ki, “Gördüyümüz odur ki, təsir çoxcisimli qarşılıqlı təsirlərdən deyil, elektron zolaqların qeyri-trivial topologiyasından qaynaqlanır”.

_{ZrTe 5} -də Ziddiyyətli Nəticələrin Həlli

_{Bu tapıntılar həmçinin ZrTe 5} ilə aparılan uzunmüddətli təcrübələri əhatə edən mübahisəni aydınlaşdırmağa kömək edə bilər . Eyni materialın müxtəlif nümunələri, görünür, fərqli növ kvant rəqsləri yaradıb.

Bəzi nümunələr 1/B-də dövri olan ənənəvi rəqslər göstərir. Digərləri isə 1/B-də dövri olmayan rəqslər göstərir. Digərləri isə B-də loqarifmik dövriliyə malik siqnallar yaradır.

Yeni nəticələrə görə, bu fərqlər ayrıca fiziki izahat tələb etməyə bilər. Bunun əvəzinə, bütün bu davranışlar eyni əsas Dirac elektron strukturundan yarana bilər və nəticə əsasən hər nümunədə daşıyıcı sıxlığı və Fermi səthinin ölçüsü ilə müəyyən edilir.

“Burada araşdırılan kimi aşağı daşıyıcı sıxlığına malik nümunələrdə Zeeman və siklotron effektləri eksperimental olaraq əldə edilə bilən maqnit sahələrində müqayisə edilə bilən hala gəlir. Bu, Landau səviyyələrinin yenidən daxil olmasına kömək edir və anomal rəqsləri görünən edir. Daha yüksək daşıyıcı sıxlığına malik nümunələrdə ənənəvi termin üstünlük təşkil edir və rəqslər adi 1/B dövriliyini saxlayır”, – deyə Larrea şərh edir.

İki Spin Kanalı Müdaxilə Edir

Tədqiqatçılar həmçinin kvant rəqslərinə spinlə ayrılmış vəziyyətlərlə əlaqəli iki ayrı töhfə müəyyən etdilər. Bu iki töhfə fərqli effektiv kütlələrə malikdir və bir-birinə müdaxilə edə bilər.

Bu müdaxilə ölçmələrdə gözlənilməz bir xüsusiyyətin başqa bir səbəbini izah etməyə kömək edir. Ənənəvi Lifşits-Koseviç modelinə görə, temperatur artdıqca kvant rəqslərinin amplitudası davamlı olaraq azalmalıdır. Bunun əvəzinə, tədqiqatçılar müəyyən temperatur diapazonlarında rəqs amplitudasında lokal minimum müşahidə etdilər.

Nəticə göstərir ki, iki elektron kanal standart şəkildə sadəcə sönmək əvəzinə, bir-birinə müdaxilə edir.

Bucaq maqnitorezistansının ölçülməsi material haqqında əlavə məlumat verdi. Aşağı maqnit sahələri altında Fermi səthi üçölçülü və təxminən ellipsoidal görünürdü.

Tədqiqatçılar kub santimetr üçün təxminən 10 ^{16 olan çox aşağı daşıyıcı sıxlığını hesabladılar. Bu dəyər ZrTe} _5-in topoloji faza keçidinə son dərəcə yaxın yerləşməsi ilə uyğun gəlir .

Ekstremal Şərtlərdə Maddənin Test Edilməsi

Təcrübələr, Los Alamosdakı Milli Yüksək Maqnit Sahəsi Laboratoriyasında aparıldı. Bu, dünyada 60 Teslaya çatan impulslu maqnit sahələrini 1 Kelvindən aşağı temperaturla birləşdirə bilən azsaylı müəssisələrdən biridir.

Larrea qeyd edir ki, “Bu tip təcrübə dünyanın yalnız bir neçə yerində həyata keçirilə bilər. Bu obyektlərə çıxış yüksək rəqabətlidir”.

Qeyri-adi kvant rəqslərinin özlərini izah etməklə yanaşı, tapıntılar ZrTe _5-in maddənin əlavə topoloji fazalarını araşdırmaq üçün platforma kimi istifadə edilməsinin əsaslandırılmasını gücləndirir.

Tədqiqatçılar simmetriya, daşıyıcı sıxlığı, mexaniki gərginlik, temperatur və maqnit sahəsi kimi amillərin diqqətlə tənzimlənməsinin daha ekzotik elektron vəziyyətlər yarada biləcəyini irəli sürürlər. Bunlara Weyl kvazipartiküllərini əhatə edən fazalar da daxil ola bilər.

Larrea ümumiləşdirir ki, “Təcrübəmiz əvvəllər mübahisələrə səbəb olan bir prosesin ilk empirik nümayişini təmin etdi”.

Tədqiqat həmçinin Larreaya verilən Gənc Tədqiqatçı Qrantı vasitəsilə FAPESP tərəfindən dəstəklənib. Əlavə maliyyələşdirmə Los Alamos Milli Laboratoriyası, Milli Yüksək Maqnit Sahəsi Laboratoriyası, Milli Elm Fondu və ABŞ Energetika Nazirliyi də daxil olmaqla ABŞ qurumlarından gəlib.