அபூர்வப் பொருளில் நிற்க மறுக்கும் குவாண்டம் அலைவுகள்

பிரேசில் மற்றும் அமெரிக்க இயற்பியலாளர்கள், சிர்கோனியம் பென்டாடெலூரைடு (ZrTe₅) எனப்படும் ஓர் அபூர்வப் பொருளில் எதிர்பாராத குவாண்டம் விளைவைக் கண்டறிந்துள்ளனர். வழக்கமான கோட்பாட்டின்படி நிற்க வேண்டிய அளவுக்கு வலிமையான காந்தப்புலத்திலும், இப்பொருளின் மின்தடை தொடர்ந்து அலைவுற்றது. இந்த முடிவுகள் நேச்சர் கம்யூனிகேஷன்ஸ் இதழில் வெளியாகியுள்ளன. முழுமையான பூஜ்ஜியத்திற்கு அருகில், அதாவது சுமார் 0.7 கெல்வின் (-272.45°C) வெப்பநிலையில், 60 டெஸ்லா வரையிலான காந்தப்புலங்களில் இச்சோதனைகள் நடத்தப்பட்டன. சாவோ பாலோ பல்கலைக்கழகம் (USP, பிரேசில்), லாஸ் அலமோஸ் தேசிய ஆய்வகம், வாஷிங்டன் பல்கலைக்கழகம் உள்ளிட்ட அமெரிக்க நிறுவனங்களைச் சேர்ந்த ஆய்வாளர்கள் இதில் ஈடுபட்டனர்.

ZrTe₅ ஒரு டோபோலாஜிக்கல் இன்சுலேட்டர் (topological insulator) எனப்படும் பொருள் வகை — இதன் உட்பகுதி மின்சாரத்தைக் கடத்தாது, ஆனால் மேற்பரப்பு மின்சாரத்தைக் கடத்தும். இந்தத் தனித்தன்மை, அப்பொருளின் எலக்ட்ரான் பட்டைகளின் டோபோலஜி எனப்படும் ஒட்டுமொத்த குவாண்டம் அமைப்பிலிருந்து வருகிறது. வெவ்வேறு டோபோலாஜிக்கல் நிலைகளுக்கு இடையேயான எல்லைக்கு அருகில் ZrTe₅ இருப்பதால், வெப்பநிலை, காந்தப்புலம், இயந்திர அழுத்தம் அல்லது கலவை ஆகியவற்றில் ஏற்படும் சிறு மாற்றங்களுக்கும் இது மிக உணர்திறன் கொண்டதாக இருக்கிறது. இதனால், டோபோலாஜிக்கல் நிலைமாற்றங்களை ஆய்வு செய்ய இது பயனுள்ள பொருளாக அமைகிறது.

பொதுவாக, ஒரு வலிமையான காந்தப்புலம் எலக்ட்ரான்களை லாண்டாவ் நிலைகள் (Landau levels) எனப்படும் தனித்தனி ஆற்றல் நிலைகளுக்குள் தள்ளும். தூய்மையான உலோகங்களில், இந்நிலைகள் ஃபெர்மி மட்டத்தை — அதாவது நிரப்பப்பட்ட மற்றும் நிரப்பப்படாத எலக்ட்ரான் நிலைகளுக்கு இடையேயான எல்லையை — கடக்கும்போது, மின்தடை ஒழுங்காக ஏறி இறங்கும். இதற்கு ஷுப்னிகோவ்–டி ஹாஸ் அலைவுகள் என்று பெயர். காந்தப்புலம் அனைத்து எலக்ட்ரான்களையும் மிகக் குறைந்த லாண்டாவ் நிலைக்குள் தள்ளும் அளவுக்கு வலிமையானதாக மாறும் 'குவாண்டம் எல்லை' எனப்படும் புள்ளியில் இந்த அலைவுகள் நின்றுவிட வேண்டும். ஆனால் ZrTe₅-இல், அலைவுகள் வழக்கமான ஒழுங்கைப் பின்பற்றவில்லை; மேலும் அந்த எல்லையைத் தாண்டியும் தொடர்ந்தன.

இதற்கு 'மீள்வரும் லாண்டாவ் நிலைகள்' (reentrant Landau levels) எனப்படும் விளக்கத்தை ஆய்வாளர்கள் அளிக்கின்றனர். ZrTe₅-இல் உள்ள வலிமையான ஸ்பின்-ஆர்பிட் இணைப்பு காரணமாக, எலக்ட்ரான்களின் சுற்றுப்பாதை இயக்கத்தால் ஏற்படும் சைக்ளோட்ரான் ஆற்றலையும், அவற்றின் ஸ்பின் காரணமாக ஏற்படும் ஜீமன் விளைவையும் தனித்தனியாகக் கருத முடியாது. காந்தப்புலம் மாறும்போது, ஆற்றல் நிலைகள் நேர்கோட்டில் அல்லாமல் மாறி, மீண்டும் ஃபெர்மி மட்டத்தைக் கடக்கும் வகையில் வளையலாம்; இது கூடுதல் அலைவுகளை உருவாக்குகிறது. 'டோபோலாஜிக்கல் நிலைமாற்றங்களுக்கு அருகிலுள்ள பொருட்களில், எலக்ட்ரான்கள் உலோகத்திற்குள் சாதாரண துகள்களைப் போல நடந்துகொள்வதை நிறுத்திவிடலாம்' என்று இந்த ஆய்வறிக்கையின் முதன்மை ஆசிரியரும், சாவோ பாலோ பல்கலைக்கழக இயற்பியல் நிறுவனத்தில் ஹூலியோ லாரியா ஹிமெனெஸ் வழிகாட்டுதலில் முனைவர் பட்ட ஆய்வு செய்பவருமான கவே கௌஃப்மன் ரிபேரோ கூறினார்.

பல எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையேயான கூட்டு தொடர்புகளால் (many-body effects) இந்த விளைவு ஏற்பட்டதா, அல்லது பொருளின் இயல்பான டோபோலஜியால் ஏற்பட்டதா என்பது இந்த ஆய்வின் முக்கியக் கேள்வியாக இருந்தது. வலிமையான ஸ்பின்-ஆர்பிட் இணைப்புடன் கூடிய முப்பரிமாண டிராக் ஹேமில்டோனியனை அடிப்படையாகக் கொண்ட ஒற்றைத் துகள் மாடல் இச்சோதனை முடிவுகளை வெற்றிகரமாக மீண்டும் உருவாக்கியது என்று ஆய்வாளர்கள் கண்டறிந்தனர்; இதன்மூலம், இவ்விளைவை உருவாக்க எலக்ட்ரான் தொடர்புகள் தேவையில்லை என்பது தெரியவந்துள்ளது.