Az MIT anyagkutatói laboratóriumának munkatársai szupersztrádát készítettek, de nem autóknak, hanem annál sokkal kisebb objektumoknak: a pályán elektronok haladnak öt sávban, méghozzá energiaveszteség nélkül. A kutatók a megoldást ahhoz hasonlítják, mint mikor az autók, ideális esetben dugóban araszolás helyett gyors tempóban, egyenes vonalban haladnak és jutnak el céljukhoz az autópályákon, ezzel időt és energiát spórolva, ellentétben a kacskaringós mellékutakon való közlekedéssel, ami ugyanazt az utat jelentősen meghosszabbíthatja a sok lassítás, megállás és a táv növekedése miatt. Az elektronok más anyagokban sokszor szintén ilyen kacskaringós útvonalakon közlekednek, mivel letérnek eredeti pályájukról és szétszóródnak a rájuk ható erők következtében. Ha azonban a szupersztrádára sorolnak be, “nem veszik el energia a terjedésük során” - az MIT magyarázata szerint.

Az anyag, amiben a szupersztrádát sikerült kialakítani, egy viszonylag frissen felfedezett struktúra, úgynevezett romboéderes, ötrétegű grafén, ami az egy atom vastagságú grafén rétegezett változata és már korábbi tanulmányok is bizonyították, hogy különleges tulajdonságokkal rendelkezik, például két különböző Fermi-felületi instabilitást lehet megfigyelni benne, ami az elektronokkal kapcsolatos jelenségek tanulmányozására ad lehetőséget. A romboéderes grafént egy 2023-as kísérletekben szintén az MIT kutatói vizsgálták és már akkor nyilvánvalóvá vált előttük, hogy az elektronok speciális módon működnek benne, korrelálnak, vagyis “beszélgetnek egymással”.

A rendkívül vékony grafénrétegeket akkor bórnitrid szendvicsbe rejtették és elektromos árammal stimulálták. Az anyagban bizonyos feszültség hatására olyan útvonalak alakultak ki, ahol az elektronok szabadon, illetve akadálytalanul és rendezetten áramoltak egy irányba, ezeket nevezték a kutatók elektronsztrádának, míg az anyag más részein nehezebben haladtak tovább a részecskék, emiatt a romboéderes grafén egyszerre vált vezetővé és szigetelővé. Ez a topologikus anyagokra jellemző viselkedés, amelyekben a széleken alakul ki a vezetőképesség, középen pedig a szigetelő jelleg.

A mostani kísérletben már sikerült ötsávos elektronsztrádát is kialakítani az anyagban,

amihez időközben volfrám-diszulfidot adtak és némileg változtattak az elrendezésén, ennélfogva lehetővé vált, hogy mágneses tér használata nélkül létre lehessen hozni benne a sávokat. Az anyagot azonban egészen hidegre kellett hűteni a vizsgálat során, ami bonyolítja a jelenség megfigyelését. A mínusz 271 Celsius-fokra hűtött grafénban kvantum Hall-effektus alakul ki, amit már többször felfedeztek kétdimenziós anyagokban, ez alkalommal pedig ennek magas szintjét mutatták ki az elektronok korrelációjának szinergiája, együttes hatása következtében.

Az ehhez hasonló hatás vizsgálata nem csak a fizikai jelenségek működésének megértése szempontjából érdekes, hanem gyakorlati haszna is lehet, akárcsak a szupravezetés felfedezésének annak idején. Bár a szupravezetés esetében is évtizedekbe tellett, mire a jelenséget sikerült olyan módon kiaknázni, ami hatékonnyá tette különféle alkalmazási körökben, és egyelőre az elektronsztráda kialakítása is nehézségekbe ütközik a nagyon alacsony hőmérsékleten való működés miatt. Az elektronok szóródás nélküli haladása az anyagban, ami energiaveszteség nélküli transzportot biztosít, többek között elektronikus eszközök készítésénél és üzemeltetésénél járhat nagy előnyökkel.

(Fotó: Sampson Wilcox/MIT Research Laboratory of Electronics)

Az elektronok gömbölyűek és ez nem jó hír az univerzum megértése szempontjából A kvantumtérelmélet szerint az elektron nem pontszerű részecske, hanem körbeveszi virtuális részecskék gömb alakú felhője. Ennek vizsgálata segíthet felfedni az anyag-antianyag rejtélyét.