Ένα πείραμα με υλικό άνθρακα μέσα σε μαγνητικό πεδίο αποκάλυψε έναν νέο τρόπο κίνησης των ηλεκτρονίων, ο οποίος δεν ανήκει πλήρως ούτε σε δύο ούτε σε τρεις χωρικές διαστάσεις.
Η νέα κβαντική κατάσταση της ύλης συμπεριφέρεται σαν να μην ανήκει ολοκληρωτικά σε έναν κόσμο δύο ή τριών διαστάσεων, αποκαλύπτοντας έναν ως τώρα μη παρατηρημένο τρόπο κίνησης των ηλεκτρονίων.
Οι φυσικοί κατηγοριοποιούν τις καταστάσεις της ύλης με βάση το πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα υλικό. Η κίνηση αυτή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η διάταξη των ατόμων του υλικού.
Όταν ένα λεπτό υλικό βυθίζεται σε μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνιά του σχηματίζουν μικρούς κύκλους και κάθε ροή τους ωθείται προς την πλευρά του υλικού. Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο Hall. Στα μαγνητικά υλικά, οι «χορογραφίες» των ηλεκτρονίων γίνονται πιο σύνθετες, δίνοντας διαφορετικές εκδοχές αυτού του φαινομένου.
Ο Lei Wang από το Πανεπιστήμιο Nanjing στην Κίνα και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν απροσδόκητα μια νέα εκδοχή του φαινομένου, την οποία ονομάζουν transdimensional anomalous Hall effect (TDAHE).
Η ομάδα μελετούσε ηλεκτρόνια σε ένα λεπτό υλικό από άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε μοτίβο ρόμβων, με την ελπίδα να τα δει να σχηματίζουν απολύτως αποδοτικά ρεύματα. Όμως, όταν έβαλαν το υλικό σε μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια αντέδρασαν με παράδοξο τρόπο.
«Το TDAHE προέκυψε ως απόλυτη έκπληξη, ένα φαινόμενο που δεν έχει ξαναεμφανιστεί σε κανένα άλλο υλικό, ούτε προβλέπεται από καμία θεωρία», λέει ο Wang. «Αφού μετρήσαμε τα ακατέργαστα δεδομένα, περάσαμε περίπου έναν χρόνο προσπαθώντας να το καταλάβουμε».
Αυτό που μπέρδεψε ιδιαίτερα τους ερευνητές ήταν ότι το υλικό τους εμφάνισε έναν τύπο φαινομένου Hall όταν εφάρμοσαν δύο διαφορετικά μαγνητικά πεδία, κάθετα μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να εκτελούν κυκλικές κινήσεις τόσο οριζόντια όσο και κάθετα, παρότι το υλικό θεωρούνταν πολύ λεπτό για να το επιτρέπει αυτό.
Ο Wang λέει ότι ο ίδιος και οι συνεργάτες του αρχικά σκέφτηκαν πως επρόκειτο για πειραματικό σφάλμα, όμως αρκετές επαναληπτικές δοκιμές συνέχισαν να επιβεβαιώνουν ότι οι μετρήσεις τους ήταν σωστές. Η κατασκευή και ο έλεγχος περισσότερων δειγμάτων του υλικού έδωσαν το ίδιο αποτέλεσμα. Κατέληξαν έτσι στο συμπέρασμα ότι, για κομμάτια του ανθρακούχου υλικού πάχους από 2 έως 5 νανόμετρα, τα ηλεκτρόνια απλώς έκαναν κάτι καινούργιο.
Επειδή αυτά τα πάχη δεν κάνουν το υλικό ούτε πλήρως δισδιάστατο ούτε τρισδιάστατο, η ομάδα έδωσε στη νέα ηλεκτρονιακή κατάσταση την αντίστοιχη ονομασία. Δεν πρόκειται για κάτι που γεφυρώνει με κάποιον τρόπο τους δισδιάστατους και τρισδιάστατους κόσμους, λέει ο Wang. «Δεν είναι ούτε λίγο 2D και λίγο 3D. Με τον όρο “transdimensional”, θέλουμε να εκφράσουμε ότι υπάρχει ένα νέο καθεστώς, το οποίο δεν ανήκει στις ήδη καλά μελετημένες περιπτώσεις 2D ή 3D», λέει.
Ο Andrea Young από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα λέει ότι αυτό που ξεχωρίζει τη νέα κατάσταση είναι πως η μαθηματική αναπαράσταση των καταστάσεων των ηλεκτρονίων δεν έχει συμμετρία με τρεις διαφορετικούς τρόπους, κάτι που είναι νέο σε σχέση με παρόμοιες καταστάσεις. Κατά την άποψή του, αυτό αποτελεί περισσότερο το καθοριστικό χαρακτηριστικό παρά η διάσταση του υλικού, ενώ το πάχος του είναι απλώς το μέσο για να επιτευχθεί το αποτέλεσμα.
Ο Young λέει ότι η νέα κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος «quarter-metal», δηλαδή ένα μέταλλο στο οποίο η έλλειψη συμμετρίας περιορίζει όσα μπορούν να κάνουν τα ηλεκτρόνια σε σχέση με τα πιο συμβατικά μέταλλα.
Η ομάδα του Wang θέλει τώρα να αναζητήσει τη λεγόμενη transdimensional physics και σε άλλα υλικά, καθώς και να χρησιμοποιήσει περισσότερα όργανα, όπως αισθητήρες μαγνητικού πεδίου βασισμένους σε διαμάντι, για να μάθει περισσότερα για τη νέα κατάσταση.
Nature DOI: 10.1038/s41586-026-10471-1
