Fizičari su otkrili materijal koji bi mogao pokazati neobično kvantno svojstvo: spontano narušavanje matematičke simetrije vremena.

Riječ je o itrijevom diantimonidu, YbSb₂. Međunarodni tim predvođen istraživačima s Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal proučavao je njegova električna i kvantna svojstva te rezultate objavio u časopisu Physical Review Letters.

Jedan od važnih pojmova u istraživanju je simetrija vremenskog obrata. Ona opisuje činjenicu da velik broj fizikalnih zakona matematički funkcionira jednako ako se smjer vremena zamisli obrnutim. Međutim, neka kvantna stanja mogu tu simetriju narušiti. Istraživači su sintetizirali pojedinačne kristale YbSb₂ te pomoću rendgenskih zraka provjerili njihov kemijski sastav i složenu kristalnu strukturu. Električni otpor materijala naglo je pao na nulu pri temperaturi od oko -272 °C, odnosno samo nešto više od jednog stupnja iznad apsolutne nule od -273,15 °C.

Mjerenja specifične topline potvrdila su da materijal ima svojstva supravodiča tipa I. Analiza je također pokazala da se nalazi u takozvanom potpuno otvorenom stanju, odnosno da postoji energetska barijera koja otežava razdvajanje uparenih elektrona i izlazak iz supravodljivog stanja.

Magnetizam koji se pojavljuje sam od sebe

Ključni trag došao je iz mjerenja pomoću mionske spinske spektroskopije, tehnike koja omogućuje proučavanje magnetskih polja unutar materijala pomoću miona, subatomskih čestica koje se ponašaju poput vrlo malih magneta. Kada istraživači nisu primijenili nikakvo vanjsko magnetsko polje, uočili su da se nakon ulaska YbSb₂ u supravodljivo stanje unutar materijala spontano pojavljuju vrlo slaba magnetska polja.

To je važno zato što se smjer magnetskog polja matematički obrće kada se obrne smjer vremena. Spontana pojava magnetskog polja u supravodljivom stanju stoga predstavlja ključan dokaz da materijal može narušiti simetriju vremenskog obrata.

Istraživači su pri dodatnim mjerenjima otkrili i da se elektroni u YbSb₂ ne uparuju na uobičajen način. Umjesto toga tvore takozvani spin-triplet, posebnu vrstu Cooperovih parova u kojoj spinovi elektrona mogu imati različite kombinacije. Preciznije, riječ je o 'interno antisimetričnom neunitarnom tripletnom' stanju (INT), koje posjeduje neto magnetski moment. Drugim riječima, magnetski doprinosi elektrona u paru međusobno se ne poništavaju.

Takvo uparivanje omogućuje materijalu da samostalno naruši simetriju vremenskog obrata bez potrebe za vanjskim magnetskim poljem.

Moguće Majoranine pobude na površini

Kako bi razumjeli nastanak takvih tripletnih parova, istraživači su modelirali materijal na temelju njegovih temeljnih fizikalnih svojstava. Model pokazuje da elektroni koji tvore parove dolaze iz različitih energetskih orbitala. Kombinacija tih svojstava mogla bi omogućiti YbSb₂ da na svojoj površini podrži takozvane bezrasponske Majoranine modove. Riječ je o kvantnim pobudama koje se ponašaju kao vlastite antičestice.

U unutrašnjosti bi materijal pri vrlo niskoj temperaturi funkcionirao kao supravodič kroz koji elektroni mogu prolaziti bez otpora, dok bi se na površini mogle pojaviti takve Majoranine pobude, što je zanimljivo zbog mogućih primjena u kvantnom računarstvu. Topološki kvantni materijali potencijalno bi mogli bolje zaštititi kvantne informacije od vanjskih utjecaja poput topline i elektromagnetskog šuma.

Takvi utjecaji, zaključuje Science Alert, mogu poremetiti kvantna stanja potrebna za rad kvantnih računala. Materijali s prikladnim topološkim svojstvima mogli bi stoga jednog dana pomoći u smanjenju osjetljivosti kvantnih sustava na takve smetnje.