Onverwachte quantumtoestand in CeRu4Sn6: topologische semimetaalfase door quantumkriticiteit

Een quantumtoestand van materie is opgedoken in een materiaal waar natuurkundigen dachten dat dit onmogelijk was. Dat dwingt tot een herziening van de voorwaarden die bepalen hoe elektronen zich in bepaalde materialen gedragen.

De vondst, gedaan door een internationaal team onderzoekers, kan richting geven aan vooruitgang in quantumcomputing, de efficiëntie van elektronica verhogen en leiden tot betere sensortechnologie en beeldvorming.

CeRu4Sn6 en de topologische semimetaalfase

De betreffende toestand wordt omschreven als een topologische semimetaalfase. Theoretische modellen voorspelden dat deze fase bij lage temperaturen zou kunnen ontstaan in een materiaal dat is opgebouwd uit cerium, ruthenium en tin (CeRu4Sn6), waarna experimenten het bestaan ervan hebben bevestigd.

Wanneer CeRu4Sn6 tot extreem lage temperaturen wordt afgekoeld, bereikt het quantumkriticiteit: een punt waarop het materiaal op de rand zit van een faseverandering. In die omstandigheden is het zo koud dat quantumfluctuaties de overhand krijgen, waardoor het materiaal zich in zekere zin gedraagt als een plas van golven in plaats van een nevel van deeltjes.

De onverwachte wending van deze studie is dat quantumkriticiteit toestanden kan voortbrengen waarvan men aannam dat ze juist worden vastgelegd door interacties tussen deeltjes, zoals het idee dat elektronen zich gedragen als afzonderlijke ladingsdragers.

“Dit is een fundamentele stap vooruit,” zegt natuurkundige Qimiao Si van Rice University in de Verenigde Staten.

“Ons werk laat zien dat sterke quantumeffecten kunnen samenvallen en iets volledig nieuws kunnen vormen, wat mogelijk helpt om de toekomst van de quantumwetenschap vorm te geven.”

Waarom topologie belangrijk is bij quantumkriticiteit

In de natuurkunde verwijst topologie naar de geometrie van materiaalstructuren. Bepaalde topologische toestanden kunnen eigenschappen van de betrokken deeltjes als het ware beschermen, in tegenstelling tot situaties waarin naburige deeltjes elkaar zouden kunnen stoten en elkaars gedrag verstoren.

Het begrijpen van topologische toestanden vraagt doorgaans om het samenvoegen van eigenschappen tot kaarten die op deeltjes lijken-iets waarvan men juist niet verwacht dat een materiaal dit kan “vasthouden” wanneer het zich in quantumkriticiteit bevindt.

Zowel quantumkriticiteit als topologie zijn om verschillende redenen waardevol voor materialen. Als ze echter tegelijk in één systeem voorkomen, zou dat kunnen uitmonden in een nieuwe klasse materialen met een sterk gevoelige quantumrespons én een betrouwbare stabiliteit.

Metingen: Hall-effect zonder magnetisch veld

Toen de onderzoekers CeRu4Sn6 afkoelden tot nabij het absolute nulpunt en vervolgens een elektrische lading aanbrachten, zagen zij bij de elektronen die de stroom door het materiaal dragen een verschijnsel dat bekendstaat als het Hall-effect. In de kern boog de stroom zijwaarts af.

Volgens het team was dit een duidelijke aanwijzing voor topologische effecten. Normaal gesproken is voor het Hall-effect een magnetisch veld nodig om elektronen af te buigen, maar in dit experiment was er geen magnetisch veld aanwezig. In plaats daarvan werd het traject van de stroom bepaald door iets dat intrinsiek is aan het materiaal zelf.

“Dit was het kerninzicht dat ons in staat stelde om buiten twijfel aan te tonen dat de gangbare opvatting moet worden bijgesteld,” zegt natuurkundige Silke Bühler-Paschen van de Technische Universiteit Wenen.

Bovendien ontdekten de wetenschappers dat juist op de plek waar het materiaal het instabielst was wat betreft zijn elektronenpatronen, het topologische effect het sterkst naar voren kwam; de quantumkritische fluctuaties stabiliseerden de nieuw gevonden fase dus daadwerkelijk.

Er is nog veel vervolgwerk nodig. De onderzoekers willen nagaan of deze quantumtoestand ook in andere materialen voorkomt, om vast te stellen hoe algemeen het verschijnsel is.

Ook willen zij de waargenomen topologie hier nauwkeuriger analyseren, evenals de exacte voorwaarden die nodig zijn om die mogelijk te maken.

“De bevindingen vullen een leemte in de gecondenseerde-materiefysica door te laten zien dat sterke elektroneninteracties topologische toestanden kunnen voortbrengen in plaats van ze te vernietigen,” zegt Si.

“Daarnaast onthullen ze een nieuwe quantumtoestand met een aanzienlijke praktische betekenis.”

“Weten waar we op moeten zoeken stelt ons in staat dit fenomeen systematischer te onderzoeken,” voegt hij toe.

“Het is niet alleen een theoretisch inzicht, het is een stap richting het ontwikkelen van echte technologieën die de diepste principes van de quantumfysica benutten.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Physics.