2008. aastal teatas rahvusvaheline teadlasterühm, et nende uuritav üterbiumil põhinev eksootiline uus ülijuht ilmutab ebatavalisi omadusi, mis võivad muuta teadlaste seniseid arusaamu ning ülijuhtides ja arvutites kasutatavate elektroonikaseadmete materjalide valmistamise viise.
Siiski jäi materjali eripärast käitumist põhjustav võtmeomadus tookord vaatamata teadlaste paljudele katsetele ja mõõtmistäpsusele lahti seletamata. Materjali saladuse seletamiseks otsustasid uurimisgruppi kuulunud Tokyo Ülikooli teadlased teha koostööd Rutgersi Ülikooli teoreetiliste füüsikutega, kirjutab sciencedaily.com.
21. jaanuaril teadusajakirjas Science ilmunud artiklis kirjutavad Rutgersi ja Tokyo teadlased et materjal jõuab ühel hetkel punktini, kus üheaegselt eksisteerivad omavahel näivalt vastuolulised elektrilised ja magnetilised omadused, põhjustamata seejuures erilisi muutusi rõhus, magnetväljas või keemilistes ebapuhtustes.
YBAL'i struktuur. Pilt: Science/AAAS
See punkt, mida teadlased nimetavad ‘kvantkriitiliseks,’ defineerib üldiselt ära kas ja kuidas materjal ülijuhtivaks muutub.
Teadlased on juba kaua aega osanud nende omadusi muutes materjale kvantkriitilisuse poole timmida. Seda tehakse asetades materjali kõrge rõhu alla ning tugevasse magnetvälja või lisades materjalidesse kindlaid aatomite ebapuhtusi. Tokyo ja Rutgersi Ülikooli teadlaste uuritav materjal paistab aga olevat esimene, mis jõuab kvantkriitilisse punkti puhtana, ilma otsese timmimiseta.
,,See on täiesti ootamatu tulemus,” sõnas Piers Coleman, Rutgersi Ülikooli füüsika ja astronoomia professor. ,,See võib osutuda esimeseks näiteks aine nn. ‘imelikust’ metallilisest faasist, mis ilmneb loomulikult ilma materjali omadusi kohandamata.”
Jaapani eksperimentaalfüüsikute sünteesitud uuritav materjal on üterbiumist, boorist ja alumiiniumist koosnev eksootiline kristall. Selle keemiline valem on YbAlB4, kuid teadlased nimetasid selle ümber ‘YBAL’-iks. Ülijuhtivust oli YBALis ka varem täheldatud, seda eriti selle kristallilise beeta struktuuri puhul. Tokyo teadlased ennustasid, et nad suudavad leida materjali kvantkriitilise punkti, kuid selle ülijuhtiv käitumine, mis tekib absoluutsest nullist veidi kõrgemal temperatuuril, segas selle punkti leidmist.
Coleman ning Andriy Nevidomskyy töötlesid Tokyo teadlaste laial temperatuurivahemikul ja erinevate magnetväljadega sooritatud eksperimentides saadud tulemusi. Nad leidsid, et kõik andmed kokku andsid funktsiooniks kõvera, millelt sai leida ka varem teadmata kvantkriitilise punkti, mida ülijuhtiv faas peitis. Punkt asus ilma rõhku ja muid tingimusi muutmata praktiliselt magnetvälja null-tugevuse juures.
,,See on justkui unistuste süsteem,” ütles Coleman. ,,Me leidsime materjali, mis on juba iseenesest lihtsa käitumisega kvantkriitiline. See on üllatav, sest materjali struktuuris pole midagi lihtsat. Me pole kindlad, miks see juhtub.”
Teadlasi kõige enam intrigeeriv on avastus, et beeta-YBAL võib ilmutada aine uut eksootilist faasi, nn ‘kriitilise imeliku metalli’ faasi. Kvantkriitilises punktis saab materjal vahetuda tavalise elektrilise käitumise, nn Fermi vedeliku ning ülijuhtiva käitumise ja ka ‘imeliku metalli’ olek, mis ei meenuta kumbaki eelnevat, vahel. Seda käitumist on ka varem ülijuhtivates materjalides täheldatud, kuid ei teata, kas see ilmneb ainult kvantkriitilise punkti läheduses või see eksisteerib ka laiemate füüsikaliste tingimuste puhul, mis juhul oleks see põhimõtteliselt aine oleku uus faas.
Imeliku metalli faasi teooria esitas Nobeli preemia laureaat Philip Anderson ning selle üle on vaieldud juba pikalt. ,,See on ülimalt vastuoluline,” sõnas Coleman. ,,Meie Tokyo kolleegide läbi viidud eksperimendid võivad asjasse rohkem selgust tuua. See muudaks meie arusaamu materjalidest.”
,,Me oleme väga vaimustatud,” ütles Satoru Nakatsuji, Tokyo uurimisrühma teadlane ja juht. ,,Kui see on tõsi, oleks see hämmastav avastus ning avaks uusi horisonte meie arusaamas kvantkriitilisusest.”
Teadusartikkel “Quantum Criticality Without Tuning in the Mixed Valence Compound β-YbAlB4“