Προσομοιώσεις αποκαλύπτουν γεγονότα κβαντικής σήραγγας σε γυαλί

Σε ένα γυαλί, η ελευθερία των ατόμων να κινηθούν με κβαντική σήραγγα εξαρτάται από το πόσο γρήγορα είχε αρχικά σχηματιστεί το γυαλί.

Η ιδέα ότι το γυαλί ρέει όπως ένα ρευστό σε μεγάλες χρονικές διάρκειες μπορεί να είναι ένας μύθος, όμως αυτό δεν σημαίνει ότι τα άτομά του είναι τελείως παγωμένα. Ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα γυαλιά μπορούν να αλλάξουν μεταξύ παρόμοιων διαμορφώσεων ως αποτέλεσμα του κβαντικού φαινομένου σήραγγας των ατόμων. Τώρα, ο Dmytro Khomenko, στο Πανεπιστήμιο Columbia και οι συνάδελφοί του δείχνουν χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις ότι η ύπαρξη τέτοιων γεγονότων σήραγγας εξαρτάται από τη θερμική ιστορία του γυαλιού. Τα ευρήματά τους εξηγούν γιατί οι ιδιότητες, όπως η ειδική θερμότητα, ενός γυαλιού σε χαμηλή θερμοκρασία είναι τόσο ευαίσθητες σε σχέση με το πώς παρασκευάστηκε το γυαλί.

Επειδή το γυαλί έχει άτακτη δομή, τα άτομά του μπορούν να πάρουν έναν άπειρο αριθμό διακριτών διαμορφώσεων. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα ενεργειακά εμπόδια που χωρίζουν διαφορετικές διευθετήσεις είναι πολύ υψηλά για να ξεπεραστούν. Όμως εάν δυο παρόμοιες διαμορφώσεις έχουν σχεδόν την ίδια ενέργεια, τα άτομα μπορούν να αλλάζουν θέσεις με κβαντική σήραγγα. Τέτοια συστήματα δυο επιπέδων (TLSs) είναι παρόντα σε όλα τα γυαλιά που διαμορφώνονται με ταχεία ψύξη ενός ρευστού, εξηγώντας γιατί οι θερμοδυναμικές ιδιότητές τους διαφέρουν από αυτές των κρυσταλλικών στερεών. Τα γυαλιά όμως που διαμορφώνονται στρώμα-στρώμα με χρήση εναπόθεσης ατμού έχουν ακόμη διαφορετικές ιδιότητες, πράγμα που υποδηλώνει ότι έχουν λιγότερα TLSs.

Η μελέτη του Khomenko και των συναδέλφων του θέτει αυτή την ιδέα υπό έλεγχο. Χρησιμοποίησαν ένα αλγόριθμο που αναπτύχθηκε πρόσφατα και μπορεί να διερευνήσει το ενεργειακό τοπίο των γυαλιών που παρασκευάζονται με ένα πρωτόγνωρα μεγάλο εύρος θερμικών ιστοριών. Οι ερευνητές βρήκαν ότι η πυκνότητα των TLSs είναι χαμηλότερη στα περισσότερο κινητικώς σταθερά γυαλιά. Και καθώς τα γυαλιά διαμορφώθηκαν μέσω μιας αργής, στρώμα-στρώμα, προσέγγισης, είναι περισσότερο κινητικώς σταθερά από ότι εκείνα που ψύχθηκαν γρήγορα από μια λιωμένη μάζα, έχουν λιγότερα TLSs. Οι ερευνητές επίσης βρήκαν ότι, ενώ τα TLSs τυπικά περιλαμβάνουν μόνο λίγα άτομα, κάποιες φορές μπορεί να περιλαμβάνουν συστάδες εκατοντάδων ή περισσοτέρων ατόμων.