Sveitsiläisen Paul Scherrer Instituten (PSI) tutkijoiden Niels Schröterin (vas.) ja Vladimir Strocovin johdolla on tutkittu uutta kiteistä materiaalia. Sillä on elektronisia ominaisuuksia, joita ei ole koskaan aikaisemmin nähty. Kyseessä on alumiini- ja platina-atomien kide, jonka symmetrisesti toistuvissa yksikkösoluissa yksittäiset atomit ovat siirtyneet toisistaan siten, että ne muistuttava kierreportaita.
Tämä rakenne johtaa koko kiteen elektronisen käyttäytymisen uusiin ominaisuuksiin, mukaan lukien niin sanotut Rarita-Schwingerin fermionit sisätiloissaan ja erittäin pitkät ja nelinkertaiset topologiset Fermi-kaaret sen pinnalla.
Nämä terminologiat tarkoittavat, että kide on paitsi kiraalinen, myös topologinen materiaali. Juuri näiden kahden ilmiön yhdistelmä johtaa epätavallisiin elektronisiin ominaisuuksiin, jotka myös eroavat materiaalin sisällä ja sen pinnalla.
Tutkijat ovat kiinnostuneita uusista materiaaleista ja sen elektronien eksoottisesta käyttäytymisestä, koska jotkut niistä voivat olla sopivia tulevaisuuden elektroniikan sovelluksiin. Tavoitteena on - esimerkiksi kvanttitietokoneilla - saavuttaa entistä tiheämpi ja nopeampi tallennus ja tiedonsiirto tulevaisuudessa ja vähentää sähköisten komponenttien energiankulutusta.
Yksittäisellä eristetyllä elektronilla on selkeä sähkövaraus, magneettinen momentti ja massa ja sen vapaata liikkuvuutta voidaan ennustaa tarkasti. Espanjalaistutkijoiden johdolla on valmistettu nanotason keinotekoinen materiaali, joka manipuloi atomeja yksi toisensa jälkeen. Nämä elektronit ovat erittäin raskaita. Raskaat elektronit ovat lupaavia hiukkasia, jotka antavat uusia ominaisuuksia uudenlaisille materiaaleille.
Tutkimus osoittaa, että on mahdollista valmistaa yksitellen keinotekoisia materiaaleja tuottamaan sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia, joita ei ole millään luonnosta löydetyllä materiaalilla.
Tässä työssä tutkijat havaitsivat, että metallin tavanomaiset elektronit tulevat raskaiksi elektroneiksi (tekninen nimitys on raskas fermioni), jotka sijaitsevat pinnalla olevien kobolttisten magneettiatomien järjestyneiden atomirakenteiden läheisyydessä.
Raskaat fermionit ovat elektronisia tiloja, joita esiintyy, kun normaalisti luontaisesti magneettisia elektroneja houkuttaa puoleensa jaksollisesti järjestyneiden magneettisten atomien rakenne.
Tällaisen vielä tieteellisen materiaalin eksoottiset elektroniset ja magneettiset ominaisuudet aiheuttavat suuria odotuksia niiden mahdollisissa käyttösovelluksissa, kuten antureissa, suprajohtavissa laitteissa tai kriittisten kvanttimenetelmien tutkimisessa.
Raskaat elektronit käyttäytyvät dramaattisesti eri tavalla kuin normaalit elektronit, koska niiden vaste lämpötilalle, magneettikenttien voimalle skaalautuu elektronien massan kanssa.
Näiden uusien tilojen havainnointi herättää uusia teoreettisia malleja, joiden avulla voimme tutkia aineen kvanttirajoja ja suunnitella uusia keinotekoisia materiaaleja, joilla on mukautettu elektroninen käyttäytyminen.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 12.6.2019
