Fizičar Mihael Grbić s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta (PMF) Sveučilišta u Zagrebu dio je međunarodnog tima istraživača, koji je u radu objavljenom u uglednom časopisu Nature Communications, pronašao zanimljiva nova svojstva u jednoj zanemarenoj klasi materijala. Riječ je o jednoj vrsti intermetaličnog spoja kod kojeg su istraživači pronašli pojavu kvantne kritičnosti tijekom koje elektroni počnu zaboravljati što su i djelovati potpuno nepredvidivo. Rezultati ovog istraživanja važni su jer mogu doprinijeti razvoju novih egzotičnih materijala.
Generacije fizičara posvetile su svoje čitave karijere istraživanju novih materijala i njihovih poboljšanih svojstava. Zato danas znamo gotovo sve o svojstvima i mogućnostima standardnih metala poput bakra pa u skladu s time možemo predvidjeti njihova ponašanja u različitim uvjetima poput temperature, tlaka i zračenja, stoga nam ovi materijali nisu zanimljivi u kontekstu otkrivanja novih svojstava. Ono što je u fokusu istraživanja fizičara diljem svijeta jest jedna posebna skupina materijala koja je poznata pod nazivom jako korelirani elektronski sustavi.
Jako korelirani elektronski sustavi široka su klasa spojeva koji uključuju izolatore i metale, a pokazuju neobična, i često tehnološki korisna, elektronska i magnetska svojstva.
Među jako koreliranim sustavima se nalazi i klasa materijala koji se nazivaju spojevi necjelobrojne valencije. Riječ je o intermetaličnim spojevima odnosno spojevima sastavljenima od više različitih metala, a koji su različiti od legura. Naime, dok su u legurama primjese amorfne, intermetalični spojevi tvore kristalne strukture i najčešće sadrže cerij ili iterbij kao jedan od metala. Dosad se smatralo da se ponašaju poput metala, ali bi uz djelovanje jakog tlaka ili visokog magnetskog polja mogli eventualno promijeniti svoja svojstva. U svakom slučaju nisu se smatrali praktičnim za tehnološku primjenu.
Kao što i sam naziv sugerira, svojstva jako koreliranih materijala uvjetovana su njihovim nosiocima naboja i magnetizmom. Dakle, da bi mogli saznati kako unaprjeđivati svojstva materijala, znanstvenici moraju znati kako će se u određenim uvjetima ponašati njihovi elektroni.
''Za jako korelirane elektronske sustave je karakteristično da se ponašanje njihovih elektrona ne može učinkovito predvidjeti u smislu njihove snažne interakcije. Za razliku od npr. aluminija gdje, ako razrijedite sustav dodavanjem recimo tri posto magnezija znate da ćete dobiti materijal malo promijenjenih svojstva, ali koji se i dalje može zvati aluminij, dok kod jako koreliranih sustava, poput ovog kojeg smo proučavali, dodavanjem tri posto željeza, materijal potpuno promijeni svojstva. To više nije polazni materijal'', objašnjava izv. prof. dr. sc. Mihael Grbić s Fizičkog odsjeka PMF-a i prvi autor na radu.
Povrh toga, danas nam je poznato da se najintrigantnije promjene u fizikalnim svojstvima materijala događaju na ultra niskim temperaturama, točnije na vrijednostima apsolutne nule, odnosno nula kelvina. Ovaj fenomen poznat je kao fenomen kvantne kritičnosti te predstavlja jednu od najzanimljivijih tema u znanosti zadnjih dvadesetak godina.
Za intermetalični spoj a-YbAlB4 do sad se smatralo da je nezanimljiv jer pripada ranije spomenutoj skupini spojeva necjelobrojne valencije. Međutim, istražujući ga međunarodni tim znanstvenika, koji osim dr. Grbića okuplja i kolege sa Sveučilišta u Tokiju, Instituta Max Planck, Sveučilišta Rice u Houstonu, Sveučilišta Cambridge te Sveučilišta Johns Hopkins, došao je do intrigantnih spoznaja o ponašanju ovog spoja na ultra niskim temperatura koje će doprinijeti poboljšanju svojstava nekih novih materijala budućnosti.
DODATNO POJAŠNJENJE DR. GRBIĆA:
''Kako nas uče na kemiji u srednjoj školi, kod većine spojeva je zbroj cjelobrojnih valencija pomnožen s brojem atoma 0. Primjerice, kod spoja ugljik-dioksid (CO2), valencija ugljika je +4 a svakog od dva atoma kisika -2, pa je +4-2*2=0. Kod spoja a-YbAlB4 tome nije slučaj, i u njemu iterbij (Yb) ima necjelobrojnu valenciju odnosno naboj od +2.75. Spojeve iz te takozvane klase necjelobrojnih valencija obično karakterizira ponašanje tipično za metale. Primjerice, jako su stabilni kad se primijeni magnetsko polje ili tlak, a otpor pada s hlađenjem jer se gibanje elektrona smiruje. Tu stabilnost, kao i kod običnih metala, tipično osiguravaju vodljivi elektroni unutar spoja jer su oni ti koji "balansiraju računicu" naboja i kompenziraju prisutnu miješanu valenciju. Zbog toga je bilo za očekivati kako će se u standardnim laboratorijskim uvjetima teško postići neka nova svojstva. Međutim, svojstva spoja a-YbAlB4 se ipak promijene, i to u malom magnetskom polju. Primjenom brojnih modernih tehnika nuklearne magnetske rezonanciju, u ovom smo istraživanju pokazali kako ovdje vodljivi elektroni nisu sasvim uspješni u svom pokušaju kompenzacije miješane valencije i ostaju im slijepe točke gdje to uopće ne uspijevaju. Takva kompleksna situacija u a-YbAlB4 dovodi do pojave fenomena kvantne kritičnosti gdje elektroni počnu zaboravljati što su. To znamo jer smo uočili kako hlađenjem na niske temperature na određenoj vrijednosti magnetskog polja elektroni počinju "divljati" umjesto da se smiruju. To je poput nekog teškog posla kojeg bi nas, ljude, frustrirao jer nikako da ga uspješno obavimo, pa se počnemo ponašati kao da smo netko sasvim drugi. Zaboravljamo tko smo i gdje smo. Ovo otkriće je intrigantno jer se dosad smatralo kako su ovakvi spojevi necjelobrojne valencije u vidu moderne znanosti nezanimljivi, a s druge strane je fenomen kvantne kritičnosti jedna od najzanimljivijih tema u znanosti posljednjih dvadeset i pet godina'', zaključuje izv. prof. dr. sc. Mihael Grbić.
