Autorom publikacji dostępnej w Nature Materials udało się jednak pójść o krok dalej: przede wszystkim wyjaśnili kluczowe aspekty pierwotnego eksperymentu, a dodatkowo wyciągnęli nowe i niekoniecznie zgodne z wcześniejszymi wnioski. Efekt? Świat nauki coraz lepiej radzi sobie z rozumieniem tzw. topologicznych stanów materii.
Czytaj też: Unimon zwiększy dokładność obliczeń kwantowych. Naukowcy wreszcie mają alternatywę
Na czym dokładnie polegały badania? Autorzy wykorzystali rodzaj izolatora magnetycznego wykonanego z chlorku rutenu chcąc zademonstrować pierwszy przykład izolatora magnetycznego, który wykazuje termiczny efekt Halla. Już w 1977 roku Phil Anderson opisał coś, co nazywano kwantową cieczą spinową. Ponad 99 procent materiałów magnetycznych doświadcza tzw. przejścia fazowego po schłodzeniu do wystarczająco niskiej temperatury. Nie dotyczy to jednak kwantowych cieczy spinowych.
Aby zilustrować tę koncepcję, wyobraźmy sobie próbę usadzenia par wokół stołu obiadowego zgodnie z zasadą, że każda kobieta ma być usadzona pomiędzy dwoma mężczyznami i odwrotnie. Jeśli mamy gościa, który przybywa sam, to taki układ jest geometrycznie niemożliwy. wyjaśnia N. Phuan Ong
Szesnaście lat temu Aleksiej Kitajew z Caltech stwierdził, że to samo można osiągnąć bez odwoływania się do założeń Andersona. Z kolei w 2008 roku George Jackeli i Giniyat Khailyulin z Instytutu Maxa Plancka uznali chlorek rutenu za odpowiedniego kandydata ze względu na fakt, że jest on również doskonałym izolatorem. Na tym historia się nie zakończyła: w 2018 roku naukowcy z Uniwersytetu w Kioto dokonali obserwacji “półkwantowanego” termicznego efektu Halla przewidzianego w obliczeniach Kitajewa.
Co istotne, termiczny efekt Halla jest rzadko obserwowany w izolatorach. Jako że przedstawiciele Uniwersytetu Princeton nie byli do końca zgodni z tym, co wywnioskowali japońscy naukowcy, to powtórzyli ich eksperyment. Zwiększyli rozdzielczość obserwacji, a także zakres temperatur. Najpierw schłodzili próbkę, a następnie poddali działaniu silnego pola magnetycznego. Kolejny krok polegał na ogrzania jednej krawędzi kryształu i pomiarze gradientu temperatury.
Eksperyment trwał sześć miesięcy (!) a w jego trakcie badacze potwierdzili występowanie termicznego efektu Halla. Wygląda na to, że tym, co wyróżnia wspomniany izolator jest efekt krzywizny Berry’ego, który działa na naładowane cząstki, takie jak elektrony, a także neutralne, na przykład fonony i spiny, podobnie jak intensywne pole magnetyczne.
Krzywizna Berry’ego jest koncepcją, której brakowało przez ostatnie sześćdziesiąt lat, ale teraz doszła do głosu w ciągu ostatnich około pięciu lat. To właśnie krzywizna Berry’ego, którą udowodniliśmy w tej pracy, jest w rzeczywistości przyczyną eksperymentalnej obserwacji Matsudy [autora z Uniwersytetu w Kioto, przyp. red.] podsumowuje Ong
Czytaj też: IBM znowu wyznacza trendy. Nowy procesor kwantowy zapowiada się niesamowicie
Z drugiej strony, naukowcy nie potwierdzili obecności tzw. fermionów Majorany, na co wskazywał Matsuda. Jak argumentują, gdyby zespół z Kioto miał rację – gdyby cząstki zostały zidentyfikowane jako fermiony – sygnał byłby niezależny od temperatury. W tym przypadku było jednak inaczej: sygnał okazał się silnie zależny od temperatury, co bardzo dokładnie odpowiadało ilościowemu modelowi dla topologicznych wzbudzeń bozonów.