Slovenska znanost v reviji Science

Ugledna znanstvena revija je ta mesec objavila pomemben članek
sodelavcev odseka za kompleksne snovi Instituta Jožef Stefan
Objavljeno
17. april 2014 18.37
Ra. K., Znanost
Ra. K., Znanost
Vplivna znanstvena revija Science je 11. aprila objavila članek Ultrafast Switching to a Stable Hidden Quantum State in an Electronic Crystal, ki so ga napisali slovenski avtorji Dragan Mihailović, Sergei A. Brezovski, Ljupka Stojčevska, Tomaž Mertelj, Igor Vaskivskyi, Damjan Svetin in Primož Kušar, sodelavci odseka za kompleksne snovi Instituta Jožef Stefan.

Članek obravnava odkritje »skritega« kvantnega stanja, do katerega je mogoče priti le z močnim in izjemno kratkim laserskim sunkom, dolgim zgolj 0.00000000000003 sekunde. Odkritje je prvi primer stabilnega skritega stanja v naravi nasploh.

Skrito stanje je drugačno od vseh znanih stanj v snovi, doseči pa ga je mogoče le z močnim, izjemno kratkim laserskim sunkom. Zato je toliko bolj nenavadno, da je novo kvantno stanje povsem stabilno. Poleg tega raziskovalci prikažejo, kako je kristal mogoče preklopiti tudi nazaj v običajno stanje.

Ko snovi spreminjamo temperaturo, gre pogosto skozi enega ali več faznih prehodov, denimo iz tekočega v trdno stanje, iz nemagnetnega v magnetno in podobno. Fazne prehode lahko povzročijo tudi s spremembo tlaka ali elektromagnetnega polja. V vseh teh primerih je snov skoraj v ravnovesju in gre počasi skozi običajna stanja.

Obstaja pa še ena možnost – da povsem novo urejeno stanje v snovi ustvarijo po neravnovesni poti, na primer z laserskim sunkom. Če ta vzbudi snov tako, da elektrone in atomska nihanja vzbudi različno in so zato kratek čas med seboj zunaj ravnovesja, lahko v tistem delčku sekunde nastane povsem novo »skrito« urejeno stanje, do katerega ni mogoče priti po ravnovesni poti.

Za lažjo ponazoritev si lahko zamislimo odkritje »skritega« stanja tekoče vode, ki bi bila povsem stabilna daleč pod običajnim lediščem; do nje bi lahko prišli le, če bi na ledeno kocko posvetili s kratkim laserskim sunkom. Nasproten primer je nenavadni led, ki je obstojen nad običajnim tališčem z imenom led-9 (ice-9); v znanstveni fantastiki ga je opisal Kurt Vonnegut v Mačji zibki (Cat’s Cradle).

Stabilna »skrita« stanja so bila doslej le hipotetična, peščica znanih primerov metastabilnih stanj pa je zelo kratkoživih in jih je bilo zato težko raziskovati. Življenjska doba novoodkritega stanja, ki so ga naši raziskovalci odkrili v halkogenidu prehodnih kovin, je pri sobni temperaturi skoraj sekunda, ocenjena življenjska doba pri nizkih temperaturah pa je daljša od starosti vesolja. Zlasti zanimivo je, da se ob preklopu v delčku sekunde snov spremeni iz izolatorja v kovino, s spremljajočo spremembo barve in upornosti.

Pomembno odkritje je dokaz, da so tovrstna stanja mogoča in tako odpira raziskave skritih stanj v različnih sistemih, vse od vzporednega vesolja do novih elementarnih delcev in novih oblik kondenzirane materije. Raziskave sta financirala Evropski raziskovalni svet in Javna agencija za raziskovalno dejavnost Slovenije. Del ozadja o različnih faznih prehodih, tudi takšnih, s katerimi se srečujemo vsak dan, je poljudno prikazan na spletu (https://www.youtube.com/watch?v=FnL7I6tESAs&sns=em).