Anyoni kao nova veza između supervodljivosti i magnetizma
Supervodljivost i magnetizam desetljećima su se u fizici smatrali gotovo nespojivim stanjima tvari. U klasičnom udžbeničkom prikazu supervodnik izbacuje magnetsko polje iz svoje unutrašnjosti, dok magnetni nered u materijalu razbija krhke parove elektrona zadužene za supervodljivost. No tijekom 2025. godine dva neovisna eksperimenta pokazala su da se ta dva naizgled suprotstavljena svijeta ipak mogu susresti u istom materijalu. Upravo na toj zagonetci sada gradi svoje objašnjenje tim teorijskih fizičara s Massachusetts Institute of Technology (MIT), koji u igru uvodi egzotične kvazčestice – anyone.
Novi rad MIT-ovih fizičara, objavljen 22. prosinca 2025. u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), predlaže da se u dvodimenzionalnim magnetskim materijalima elektroni mogu “rascjepkati” na frakcije samih sebe i pri tome formirati anyone. U određenim omjerima naboja ti anyoni, prema teoriji, mogu početi teći bez otpora i pritom zadržati magnetski poredak materijala. Drugim riječima, supervodljivost bi u tim sustavima mogla nastati ne zahvaljujući uobičajenim Cooperovim parovima elektrona, nego kao kolektivno gibanje frakcioniranih kvazčestica.
Dvije neočekivane pojave u grafitu i MoTe2
Poticaj za novi teorijski rad stigao je iz nedavnih eksperimentalnih otkrića. U svibnju 2025. tim Longa Jua s MIT-a objavio je da je u posebno složenoj verziji grafena, tzv. rhomboedarskom grafenu sastavljenom od četiri ili pet slojeva, pronašao materijal koji je istodobno i supervodnik i magnet. U tom sustavu elektroni pri vrlo niskim temperaturama tvore tzv. kiralni supervodnik: parovi elektrona provode struju bez otpora, ali istodobno njihove orbite nose magnetski moment, pa se cijeli materijal ponaša kao svojevrsni supravodljivi magnet.
Gotovo u isto vrijeme drugi istraživački timovi, uglavnom vezani uz Sveučilište u Princetonu i suradničke institucije, proučavali su uvjete u kojima u uvijenom dvosloju poluvodičkog kristala molibden-ditelurida (twisted bilayer MoTe2) nastaju topološka kvantna stanja. U takvim moire strukturama već je ranije potvrđena pojava frakcijskog kvantnog anomalnog Hallova (FQAH) efekta, u kojem elektroni uopće ne trebaju vanjsko magnetsko polje da bi se organizirali u topološko stanje s frakcioniranim nabojem.
Novi rezultati iz 2024. i 2025. dodali su toj slici još jedan iznenađujući element: u istom području parametara u kojem se pojavljuje FQAH efekt, u uvijenom MoTe2 bilayeru zabilježeni su i signali supervodljivosti. Neka mjerenja upućuju čak na to da se pri dopiranju stanja s učinkovitom gustoćom naboja od približno dvije trećine elektronskog naboja ponovno javlja cjelobrojni kvantni anomalni Hallov efekt, okružen uskim područjem supervodljivog ponašanja. Upravo ta kombinacija magnetizma, topološkog poretka i supervodljivosti sugerira da bi temeljna “radna jedinica” u tim materijalima mogle biti frakcionirane kvazčestice – anyoni.
Treći tip čestica: što su zapravo anyoni?
U standardnoj čestičnoj zoologiji priroda poznaje dvije velike “obitelji” čestica: bozone i fermione. Bozoni, među kojima je najpoznatiji foton, vole dijeliti ista kvantna stanja; mogu se gomilati na istom mjestu u prostoru i u istom energijskom nivou, što omogućuje pojave poput laserskog svjetla ili Bose–Einsteinova kondenzata. Fermioni, kao što su elektroni, protoni i neutroni, ponašaju se sasvim suprotno: zbog Paulijeva isključenja svaka kombinacija kvantnih brojeva može pripasti samo jednom fermionu, pa se oni međusobno “guraju” i izbjegavaju.
Anyoni čine treću, mnogo egzotičniju klasu. Pojavljuju se samo u dvodimenzionalnim sustavima, poput ultratankih slojeva materijala ili moire struktura, gdje kvantna mehanika dopušta posve drugačiji tip statistike. Dok se razmjena dvaju fermiona ili bozóna odražava samo u predznaku valne funkcije, razmjena anyona može u valnoj funkciji pridodati proizvoljnu fazu. Upravo je zbog te slobode ponašanja nobelovac Frank Wilczek 1980-ih predložio naziv “anyon” – jer, u načelu, “anything goes”.
Anyoni nisu samo matematička kurioziteta. U frakcijskim kvantnim Hallovim stanjima, koja se javljaju u dvodimenzionalnim elektronskim plinovima pod jakim magnetskim poljem, eksperimentalno su detektirani naboji koji nose tek trećinu ili čak petinu elementarnog elektronskog naboja. Takva frakcionirana kvantna stanja interpretiraju se kao kolektivni uzbudni oblici – anyoni – koji nastaju iz složene korelacije mnogih elektrona.
U novijim godinama slična su stanja, ali bez vanjskog magnetskog polja, otkrivena i u moire materijalima, osobito u uvijenom MoTe2. Tamo se FQAH efekt pojavljuje zahvaljujući topološkim svojstvima tzv. Chernovih pojaseva i spontanom feromagnetizmu, pa se pretpostavlja da se i ondje pojavljuju anyoni s frakcioniranim nabojem. To otvara mogućnost da se anyoni proučavaju i manipuliraju u čvrstoj tvari pri znatno “praktičnijim” uvjetima nego u klasičnim eksperimentima na poluvodičkim heterostrukturama.
Stara ideja anyonske supervodljivosti dobiva novu priliku
Ideja da bi skup anyona mogao postati supervodnik nije nova. Još krajem 1980-ih teoretičari poput Roberta Laughlina i samog Wilczeka razmatrali su scenarije u kojima se anyoni, pod utjecajem magnetizma, organiziraju u kolektivno stanje bez otpora. No ti su radovi dugo ostali na razini elegantnih, ali eksperimentalno nedostižnih modela: veza između magnetizma i supervodljivosti činila se previše neizglednom, a konkretnog materijala u kojem bi se takvo stanje moglo pojaviti jednostavno nije bilo.
Serija otkrića u rhomboedarskom grafenu i uvijenom MoTe2 preokrenula je tu sliku. U grafitu su MIT-ovi eksperimentalisti pokazali da se u petoslojnom rhomboedarskom grafenu javlja chiralni supervodnik koji se ponaša poput magneta, iako klasični supervodnici magnetska polja odbijaju. U MoTe2 su drugi timovi, kombinirajući transportna i mikroskopska mjerenja, našli uvjete u kojima se supervodljivost pojavljuje uz ili neposredno pokraj FQAH stanja. Time je magnetsko-supervodljivo “nemoguće trojstvo” postalo empirijska činjenica, a ne samo teorijski san.
Upravo tu ulaze u priču Senthil Todadri i njegov doktorand Zhengyan Darius Shi. Njihov PNAS rad polazi od pretpostavke da je FQAH stanje u MoTe2 dobar polazni opis nizvodnih faza koje nastaju dopiranjem – ubacivanjem dodatnih nositelja naboja u sustav. Svaki novi elektron koji uđe u takav topološki izolator može se, zbog jakih korelacija i topološkog poretka, “rascjepkati” u nekoliko anyona s frakcioniranim nabojem. Pitanje je: kako se taj razrijeđeni plin anyona može organizirati pri vrlo niskim temperaturama?
Frustrirani anyoni i kritična uloga naboja 2/3
Autori u svom modelu koriste matematički aparat kvantne teorije polja i efektivne Chern–Simonsove teorije da bi opisali međudjelovanje anyona u dvodimenzionalnoj mreži. Ključan je rezultat da se, ovisno o gustoći dopiranih elektrona, u sustavu javljaju dva tipa anyona: jedni s nabojem približno e/3, a drugi s nabojem oko 2e/3, gdje je e elementarni naboj elektrona. Svaka od tih frakcija nosi i specifičnu “statističku” interakciju – kvantnomehanički fazni faktor koji određuje kako se anyoni osjećaju dok prolaze jedni pokraj drugih.
Kada u sustavu dominiraju anyoni s nabojem e/3, njihovo međusobno statističko odbijanje dovodi do snažne kvantne frustracije. Svaki pokušaj bilo kojeg anyona da se pomakne kroz mrežu nailazi na “otpor” cjelokupnog kolektiva; sustav ostaje u svojevrsnoj metalnoj fazi u kojoj struja teče uz konačan, iako neobičan, otpor. Slika je slična običnom metalu, samo što umjesto elektrona glavnu ulogu imaju frakcionirane kvazčestice.
Situacija se dramatično mijenja kada prevladaju anyoni s nabojem 2e/3. U tom režimu, kako pokazuje model, statističke interakcije između anyona mogu se učinkovito “poništiti” na način sličan onome kako se magnetska polja poništavaju u supervodniku. Rezultat je kolektivno stanje u kojem se anyoni organiziraju u koherentnu kvantnu tekućinu – anyonski supervodnik. Iako se radi o sasvim drukčijem mikroskopskom mehanizmu nego u konvencionalnom BCS supervodniku, matematički opis može se prevesti u jezik “Cooperovih parova anyona”, što donekle zadržava intuiciju uobičajene teorije supervodljivosti.
Još jedan intrigantan detalj teorije jest predviđanje da se anyonska supervodljivost pri samom nastanku ne pojavljuje homogeno. Umjesto uredne, prostorno ujednačene supervodljive faze, model predlaže raspored vrtložnih superstruja koje spontano nastaju u nasumičnim džepovima unutar materijala. Takva “pjegava” supervodljivost, povezana s topološkim svojstvima podloge, bila bi jasan eksperimentalni potpis da u pozadini doista djeluju anyoni, a ne samo neuobičajeni parovi običnih elektrona.
Prema novoj fazi tvari: anyonska kvantna materija
Ako se pokaže da je upravo ovaj mehanizam odgovoran za pojavu supervodljivosti u uvijenom MoTe2 – a možda i u drugim moire materijalima – fizika će dobiti sasvim novu klasu faza tvari. Todadri taj hipotetski režim naziva “anyonska kvantna materija”: stanja u kojima osnovni nositelji naboja više nisu elektron ili rupa, nego kolektivni frakcionirani objekti s neobičnom statistikom. U takvim materijalima magnetski poredak, topološki Hallov efekt i supervodljivost ne bi bili zasebni fenomeni, nego manifestacije istog, dubljeg kvantnog poretka.
Već sada postoji čitav niz teorijskih radova koji pokušavaju mapirati moguće faze nastale dopiranjem FQAH izolatora, uključujući topološke supervodnike s Majorana rubnim modovima i tzv. pair-density-wave faze u kojima se amplituda supervodljive gustoće para prostorno modulira. Novi MIT-ov rad na anyonskoj supervodljivosti logično se nadovezuje na tu liniju istraživanja, ali se ističe time što pokušava izravno povezati konkretne eksperimente u MoTe2 s dinamikom frakcioniranih pobuda.
Paralelno s tim teorijskim razvojem, eksperimentalisti sve bolje kontroliraju uvjete u moire strukturama. U uvijenom MoTe2 danas je moguće vrlo precizno namještati kut uvijanja, gustoću nositelja, temperaturu i vanjska polja, što otvara prostor za ciljane testove anyonskog scenarija. Primjerice, prostorno rezolucijska mjerenja superstruja mogla bi provjeriti postoje li doista lokalne “lokve” supervodljivosti koje model predviđa, dok bi osjetljiva magnetometrija mogla detektirati istodobni topološki magnetski odgovor.
Anyoni i potraga za stabilnim kvantnim bitovima
Iako je trenutni fokus rada Senthila Todadrija i Zhengyana Dariusa Shija na objašnjenju konkretnih eksperimenata, šira motivacija jasno je povezana s kvantnim računalima. Anyoni – osobito oni s nelinearnom, tzv. ne-Abelovom statistikom – već se dugo smatraju idealnim kandidatima za stabilne kvantne bitove. Informacija bi se u takvim sustavima spremala ne u lokalno stanje pojedine čestice, nego u globalni topološki poredak kolekcije anyona, što prirodno štiti kvantno stanje od lokalnih smetnji.
Ako se pokaže da je u moire materijalima moguće reproducibilno stvarati anyonske supervodnike, istraživači bi dobili dugo priželjkivanu platformu za tzv. topološko kvantno računanje. U takvom scenariju logičke operacije ne bi se izvodile klasičnim pulsom na jedan “kubitić”, nego sporim, geometrijski definiranim “pletenjem” putanja anyona jednih oko drugih. Topološka priroda tog procesa čini rezultate iznimno robusnima na šum i nesavršenosti, što je jedan od glavnih izazova današnje kvantne tehnologije.
Za sada je, međutim, riječ tek o obećavajućem teorijskom koraku. Autori sami ističu da su potrebna brojna dodatna mjerenja prije nego što se njihova slika može potvrditi ili opovrgnuti. Posebno je važno razlučiti doprinos anyona od mogućih egzotičnih faza običnih elektrona, koje u dvodimenzionalnim topološkim pojasevima često proizvode neočekivana ponašanja. No činjenica da više ne govorimo o čisto spekulativnim scenarijima, nego o teoriji ukotvljenoj u konkretnim eksperimentima, čini ovu priču jednom od najuzbudljivijih u suvremenoj fizici čvrstog stanja.
Što slijedi nakon prvih teorijskih naznaka?
U mjesecima i godinama nakon objave MIT-ovog rada očekuje se tijesan dijalog teorije i eksperimenta. Različite skupine već su predložile alternativne modele anyonske supervodljivosti u dopiranim FQAH stanjima te detaljno analizirale prijelaze između supervodljive faze i re-entrant kvantnih anomalnih Hallovih izolatora u uvijenom MoTe2. Ključ će biti identificirati mjerljive veličine – poput specifičnog uzorka vrtložnih struja, neravnomjerne gustoće naboja ili neobičnih rubnih modova – koje jednoznačno razlikuju anyonski scenarij od konkurentskih objašnjenja.
Bez obzira na ishod, već sada je jasno da su nova otkrića “magnetske supervodljivosti” u rhomboedarskom grafenu i kombinacije FQAH efekta i supervodljivosti u MoTe2 otvorila potpuno novu fazu istraživanja kvantne materije. Granica između magnetizma, topoloških izolatora i supervodnika više nije tako čvrsta kao što se nekoć činila. U toj novoj zoni preklapanja anyoni se nameću kao prirodni jezik u kojem će budući eksperimenti i teorije vjerojatno biti pisani.
Ako se pokaže da su “anything-goes” anyoni doista temelj čitavog niza neočekivanih kvantnih pojava, od laboratorijskih moire struktura do potencijalnih novih materijala, fizika će dobiti ne samo još jedan egzotični dodatak svojoj enciklopediji, nego i konkretan alat za izgradnju robusnijih kvantnih tehnologija. Put do takvih primjena bit će dug i pun neizvjesnosti, ali najnoviji rezultati pokazuju da je barem prvi, konceptualno ključan korak upravo napravljen.
Izvori:
- MIT News – Anything-goes “anyons” may be at the root of surprising quantum experiments (link)
- MIT News – MIT physicists discover a new type of superconductor that’s also a magnet (link)
- Nature – Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe2 bilayer (link)
- Science Advances – Anomalous superconductivity in twisted MoTe2 nanojunctions (link)
- Anyon delocalization transitions out of a disordered FQAH insulator – arXiv preprint (link)
Kreirano: utorak, 23. prosinca, 2025.
Pronađite smještaj u blizini