மறையாத குவாண்டம் அலைவுகளை அரிய பொருளில் கண்டறிந்த இயற்பியலாளர்கள்

மூன்று பரிமாண டோபாலஜிக்கல் இன்சுலேட்டர் எனப்படும் பொருளில் இயற்பியலாளர்கள் எதிர்பாராத வகை குவாண்டம் அலைவை கண்டறிந்துள்ளனர். இது உள்பகுதியில் மின்கடத்தாதாகவும், மேற்பரப்பில் மின்சாரத்தை கடத்துவதாகவும் இருக்கும் ஒரு பொருள். நேச்சர் கம்யூனிகேஷன்ஸ் இதழில் வெளியான இந்த ஆய்வுக்கு, பிரேசிலின் சான் பாலோ பல்கலைக்கழகம் (USP), லாஸ் அலமோஸ் தேசிய ஆய்வகம், வாஷிங்டன் பல்கலைக்கழகம் ஆகியவற்றின் ஆராய்ச்சியாளர்கள் தலைமை தாங்கினர். ஸிர்கோனியம் பென்டாடெலூரைடு அல்லது ZrTe5 எனும் பொருளில் இந்த ஆய்வு கவனம் செலுத்தியது.

குழு, 60 டெஸ்லா வலிமை கொண்ட காந்தப்புலங்களிலும், 0.7 கெல்வின் (-272.45°C) அளவிலான வெப்பநிலைகளிலும் மின் கடத்தல் பரிசோதனைகளை மேற்கொண்டது. இதை கோட்பாட்டு கணக்கீடுகளுடன் இணைத்தது. காந்தப்புலத்தில், எலக்ட்ரான்கள் லேண்டாவ் நிலைகள் எனப்படும் குறிப்பிட்ட ஆற்றல் மதிப்புகளுக்கு மட்டுப்படுத்தப்படும். இடப்பெற்ற மற்றும் இடமில்லாத எலக்ட்ரான் நிலைகளுக்கு இடையேயான எல்லையான ஃபெர்மி மட்டத்தை ஒரு லேண்டாவ் நிலை கடக்கும் ஒவ்வொரு முறையும், மின்தடையில் ஒரு அலைவு ஏற்படும். இந்த அலைவுகள் பொதுவாக ஒரு கணிக்கக்கூடிய முறையை பின்பற்றும். "குவாண்டம் எல்லை" எனப்படும் ஒரு புள்ளியை காந்தப்புலம் தாண்டியதும் இவை மறைந்துவிட வேண்டும். ஆனால் ZrTe5 எனும் பொருளில் இந்த அலைவுகள் இந்த முறையை பின்பற்றவில்லை என்றும், குவாண்டம் எல்லையை தாண்டியும் தொடர்ந்தன என்றும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் கண்டறிந்தனர்.

இந்த பொருளின் எலக்ட்ரான்கள், டிராக் ஃபெர்மியான் எனப்படும் சார்பியல் துகள்களை ஒத்த குவாசி-துகள்களைப் போல செயல்படுகின்றன என்று முதன்மை ஆசிரியர் காவே காஃப்மேன் ரிபேரோ கூறினார். இவற்றின் ஸ்பின் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. இவர் லாஸ் அலமோஸில் உள்ள தேசிய உயர் காந்தப்புல ஆய்வகத்தில் இன்டர்ன்ஷிப் மேற்கொண்ட போது, பெரும்பாலான பரிசோதனை பணிகளை செய்தார். "வலிமையான காந்தப்புலங்களை நாம் பயன்படுத்தும்போது, ஸ்பினுக்கும் காந்தப்புலத்திற்கும் இடையேயான தொடர்பு எலக்ட்ரான்களின் ஆற்றல் மட்டங்களை பெரிதும் மாற்றுகிறது" என்று அவர் தெரிவித்தார். சில லேண்டாவ் நிலைகள் "திரும்பி வந்து" ஃபெர்மி மட்டத்தை மீண்டும் கடக்கும் எனவும் அவர் கூறினார். இதை குழு "மீள்-நுழை லேண்டாவ் நிலைகள்" என்று அழைக்கிறது.

இந்த விளைவு பல எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையேயான கூட்டு தொடர்புகளால் ஏற்பட்டதா என்பதை ஆராய்ச்சியாளர்கள் சோதித்தனர். அல்லது பொருளின் உள்ளார்ந்த டோபாலஜிக்கல் பண்புகளால் ஏற்பட்டதா எனவும் அவர்கள் ஆய்வு செய்தனர். ஒரு ஒற்றை-துகள் மாதிரி மட்டுமே தங்கள் பரிசோதனை முடிவுகளை மறுஉருவாக்க போதுமானது என்பதை அவர்கள் கண்டறிந்தனர். இந்த விளைவு பல-துகள் தொடர்புகளில் இருந்து அல்ல, மாறாக எலக்ட்ரான் பட்டைகளின் முக்கியமான டோபாலஜியில் இருந்து வருகிறது என்பதை தாங்கள் கண்டதாக ஜூலியோ லாரியா ஜிமெனெஸ் தெரிவித்தார். இவர் USP இயற்பியல் நிறுவனத்தின் பேராசிரியரும், ரிபேரோவின் முனைவர் பட்ட வழிகாட்டியும் ஆவார்.