Wetenschappers hebben vreemd gedrag van elektronen in het kwantummateriaal zirkoniumpentatelluride (ZrTe5) waargenomen. Bij omstandigheden dicht bij het absolute nulpunt en in magnetische velden tot 60 tesla vertoont het materiaal kwantumoscillaties die niet verdwijnen waar de standaardtheorie dat vereist.
Gewone oscillaties van de magnetoweerstand zijn periodiek in de inverse veldsterkte en doven uit voorbij de kwantumlimiet. In ZrTe5 is het patroon anders: de oscillaties gaan verder dan verwacht en volgen niet de gebruikelijke periodiciteit 1/B.
De experimenten werden uitgevoerd bij temperaturen rond 0,7 kelvin. Het team combineerde metingen van elektrisch transport in ultrazware velden met gedetailleerde theoretische berekeningen.
Het onderzoek werd geleid door specialisten van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, samen met collega's van het Los Alamos National Laboratory en de Universiteit van Washington. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.
Professor Júlio Larrea Jiménez van USP merkt op dat het werk het begrip van elektronentransport in exotische fasen van materie vergroot. Topologische isolatoren kunnen volgens hem niet alleen lading maar ook de spin van elektronen transporteren.
In materialen nabij topologische faseovergangen gedragen elektronen zich als quasideeltjes die lijken op relativistische Dirac-fermionen. De interactie van hun spin met het magnetische veld verandert de energieniveaus zodanig dat de Landau-niveaus 'terugkeren' en opnieuw de relevante energie van het systeem kruisen.
Deze waarneming wijst op een topologische oorsprong van het effect, niet op gewone veeldeeltjesinteracties. Wat zit er achter zo'n hardnekkigheid van oscillaties?
De ontdekking benadrukt de rol van spin in de transporteigenschappen van topologische materialen en opent de weg naar een dieper begrip van kwantumfasen in extreme omstandigheden.
