Μια νέα κβαντική κατάσταση της ύλης φαίνεται να μην ανήκει πλήρως ούτε σε έναν 2D ούτε σε έναν 3D κόσμο, αποκαλύπτοντας έναν εντελώς άγνωστο μέχρι σήμερα τρόπο με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια.
Οι φυσικοί κατηγοριοποιούν τις καταστάσεις της ύλης με βάση τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα σε ένα υλικό, μια συμπεριφορά που εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η διάταξη των ατόμων. Όταν ένα λεπτό υλικό τοποθετείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε μικρούς κυκλικούς δρόμους και κάθε ρεύμα τους ωθείται προς τα άκρα του υλικού. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Hall, ενώ στα μαγνητικά υλικά η συμπεριφορά γίνεται πιο σύνθετη, δημιουργώντας διαφορετικές εκδοχές του.
Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, ο Λέι Ουάνγκ από το Πανεπιστήμιο της Ναντζίνγκ στην Κίνα και οι συνεργάτες του προχώρησαν σε μια απροσδόκητη ανακάλυψη. Εντόπισαν μια νέα μορφή του φαινομένου, την οποία ονόμασαν διαστασιομεταβατικό ανώμαλο φαινόμενο Hall, ή αλλιώς TDAHE.
Η ερευνητική ομάδα μελετούσε ηλεκτρόνια σε ένα εξαιρετικά λεπτό υλικό από άτομα άνθρακα, διατεταγμένα σε μοτίβο ρόμβων, με στόχο να παρατηρήσει τη δημιουργία απολύτως αποδοτικών ρευμάτων. Όταν όμως το υλικό εκτέθηκε σε μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια παρουσίασαν μια απρόσμενη συμπεριφορά. Όπως εξηγεί ο Ουάνγκ, το φαινόμενο TDAHE προέκυψε ως πλήρης έκπληξη, καθώς δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ σε άλλο υλικό και δεν είχε προβλεφθεί από καμία θεωρία. Η ομάδα χρειάστηκε περίπου έναν χρόνο μετά τις αρχικές μετρήσεις για να μπορέσει να κατανοήσει τα δεδομένα.
Το πιο αινιγματικό στοιχείο ήταν ότι το υλικό παρουσίασε φαινόμενο Hall όταν εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά, κάθετα μεταξύ τους μαγνητικά πεδία. Αυτό σήμαινε ότι τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να κινούνται σε κυκλικές τροχιές τόσο οριζόντια όσο και κάθετα, παρόλο που το υλικό ήταν υπερβολικά λεπτό για να επιτρέπει κάτι τέτοιο.
Αρχικά, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι ίσως υπήρχε κάποιο πειραματικό σφάλμα. Ωστόσο, διαδοχικά πειράματα και νέες μετρήσεις επιβεβαίωσαν τα αποτελέσματα. Ακόμη και με την κατασκευή και δοκιμή περισσότερων δειγμάτων, η ίδια συμπεριφορά επαναλαμβανόταν. Έτσι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι σε υλικά πάχους από 2 έως 5 νανόμετρα, τα ηλεκτρόνια εμφανίζουν μια εντελώς νέα μορφή κίνησης.
Ακριβώς επειδή αυτά τα πάχη δεν επιτρέπουν στο υλικό να θεωρηθεί ούτε καθαρά δισδιάστατο ούτε τρισδιάστατο, οι ερευνητές επέλεξαν τον όρο «διαστασιομεταβατικό» για να περιγράψουν τη νέα αυτή κατάσταση. Όπως διευκρινίζει ο Ουάνγκ, δεν πρόκειται για μια απλή μετάβαση ή μίξη μεταξύ δύο και τριών διαστάσεων, αλλά για ένα νέο καθεστώς που δεν εντάσσεται σε καμία από τις ήδη γνωστές κατηγορίες.
Ο Αντρέα Γιανγκ από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα επισημαίνει ότι το στοιχείο που διαφοροποιεί αυτή την κατάσταση είναι η έλλειψη συμμετρίας στη μαθηματική περιγραφή των ηλεκτρονίων με τρεις διαφορετικούς τρόπους, κάτι που δεν έχει παρατηρηθεί ξανά. Κατά την άποψή του, αυτό είναι πιο καθοριστικό χαρακτηριστικό από την ίδια τη διάσταση του υλικού, η οποία λειτουργεί απλώς ως μέσο για την εμφάνιση του φαινομένου.
Ο ίδιος περιγράφει τη νέα κατάσταση ως ένα είδος «quarter-metal», δηλαδή ένα μέταλλο όπου η έλλειψη συμμετρίας περιορίζει τις κινήσεις των ηλεκτρονίων σε σχέση με τα συμβατικά μέταλλα.
Η ερευνητική ομάδα του Ουάνγκ σκοπεύει πλέον να αναζητήσει παρόμοια διαστασιομεταβατικά φαινόμενα και σε άλλα υλικά, ενώ σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει πιο εξελιγμένα εργαλεία, όπως αισθητήρες μαγνητικού πεδίου βασισμένους σε διαμάντι, ώστε να κατανοήσει βαθύτερα αυτή τη νέα και αινιγματική κατάσταση της ύλης.
Με πληροφορίες από το New Scientist / Nature
