Uhyggelige observationer i krystal peger på ekstremt sjælden kvante -spin -væske

Inde i en ny eksotisk krystal, fysiker Martin Mourigal har observeret stærke tegn på "uhyggelig" handling, og masser af det. Resultaterne af hans eksperimenter, hvis det bekræftes over tid, ville betyde, at krystalltypen er et sjældent nyt materiale, der kan rumme en kvante -spin -væske.

I øjeblikket, kun en lille håndfuld materialer menes muligvis at have disse egenskaber. Denne nye krystal blev syntetiseret for første gang for kun et år siden. Andre fysikers bekræftelse af Mourigals nyproducerede eksperimentelle data kan tage et årti eller længere.

Forvirret? Mød kvantefysik

En "væske" fundet inde i en fast genstand kan virke forvirrende for mange mennesker.

Velkommen til kvantematerialer, del af tusmørkezonen kaldet kvantefysik, som forskere i et århundrede har kæmpet for at forstå et nanometer ad gangen. Selvom meget om det endnu ikke er opdaget, kvantefysik beskriver materiens underliggende virkelighed.

Computeren fungerer, mobiltelefoner, superledere og MR -maskiner er baseret på det. Men dens love om atomområdet bekæmper menneskets opfattelse af, hvad der er virkeligt, og nogle lyder så absurde, at de er blevet populærvidenskabelige hjernetrillere.

'Flydende' i 'uhyggelig' sammenfiltring

Tag kvanteforvikling, kernen i Mourigals forskning om krystallen:Hvis to partikler, elektroner f.eks. blive viklet ind, de kan fysisk adskilles med mange miles, og stadig være tæt forbundet med hinanden. Handlinger udført på den ene partikel påvirker derefter den anden øjeblikkeligt.

I starten denne teori var for underlig selv for relativitetens far, Albert Einstein, der lyste det som "uhyggelig handling på afstand".

Indvikling er siden blevet bevist i forsøg, men nu videnskabsfolk som Mourigal, en eksperimentel fysiker ved Georgia Institute of Technology, og hans team, har taget det meget længere. Den syntetiske krystal, han har undersøgt, en ytterbiumforbindelse med formlen YbMgGaO4, er sandsynligvis fyldt med observerbare 'uhyggelige' forbindelser.

Mourigal, tidligere postdoktor Joseph Paddison og kandidatstuderende Marcus Daum offentliggjorde deres observationer i tidsskriftet Naturfysik på mandag, 5. december kl. 2016. De samarbejdede med kolleger ved University of Tennessee og Oak Ridge National Laboratory. Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation og det amerikanske energiministerium.

Quantum computing drømme

Denne massive 'uhyggelige' sammenfiltring gør et elektronsystem til et kvantespin "væske". Udtrykket er ikke ment i daglig forstand, som i vand. Her, den beskriver den kollektive karakter af elektroners spins i krystallen.

"I en spin 'væske, 'spinnets retninger er ikke ordentligt justeret, men rasende, selvom spins er forbundet med hinanden, der henviser til, at spin -retninger i et spin 'solid' har en pæn organisation, "Sagde Mourigal.

Hvis opdagelsen står, det kunne åbne en dør til hundredvis af endnu ukendte kvante -spin -flydende materialer, som fysikere siger, skal eksistere ifølge teori og matematiske ligninger. I en fjern fremtid, nye kvantematerialer kan blive, efter nutidens standarder, virtuel troldmands sten i kvantecomputeringeniørers hænder.

Beijings ytterbium krystal succes?

Ytterbiumkrystal blev først syntetiseret for et år siden af ​​forskere i Kina, hvor regeringen i Beijing har investeret stort i håb om at skabe syntetiske kvantematerialer med nye egenskaber. Det ser ud til, at de nu er lykkedes, sagde Mourigal, en adjunkt ved Georgia Tech's School of Physics.

"Forestil dig en tilstand, hvor denne sammenfiltring ikke involverer to elektroner, men involverer, tre, fem, 10 eller 10 milliarder partikler alle i det samme system, "Sagde Mourigal." Du kan oprette en meget, meget eksotisk stofstilstand baseret på det faktum, at alle disse partikler er viklet ind i hinanden. Der er ingen individuelle partikler længere, men et kæmpe elektronensemble, der handler i fællesskab. "

En af de kun tidligere observerede tilsyneladende kvante -spin -væsker forekommer i en naturlig krystal kaldet herbertsmithite, en smaragdgrøn sten fundet i 1972 i en mine i Chile. Det blev opkaldt efter mineralog Herbert Smith, der døde næsten 20 år før opdagelsen.

Forskere observerede dens tilsyneladende spin -flydende natur i 2012, efter at det var lykkedes for Massachusetts Institute of Technology -forskere at reproducere et renset stykke af krystallen i deres laboratorium.

Encyclopedia of spin væsker

Den første opdagelse var kun begyndelsen på en Odyssey. På grund af dets kemiske sammensætning, herbertsmithite producerer kun en enkelt sammenfiltringsordning. Fysik matematik siger, at der skal være utallige flere.

"At finde herbertsmithite var som at sige, 'dyr findes.' Men der er så mange forskellige dyrearter, eller pattedyr, eller fisk, krybdyr og fugle, "Sagde Mourigal." Nu da vi har fundet en, vi leder efter forskellige slags spinvæsker. "

Jo flere spindelvæsker eksperimentelle fysikere bekræfter, de mere teoretiske fysikere vil kunne bruge dem til at bøje deres sind omkring kvantefysik. "Det er vigtigt at oprette encyklopædi af dem, "Sagde Mourigal." Denne nye krystal er muligvis kun vores anden eller tredje post. "

Hvilken neutronspredning afslørede

Fysikere fra University of Tennessee lykkedes at replikere den originale ytterbiumkrystal, og Mourigal undersøgte det på Oak Ridge National Laboratory (ORNL), hvor det blev afkølet til en temperatur på -273,09 grader Celsius (0,06 grader Kelvin).

Afkølingen bremsede atomernes naturlige bevægelse til et næsten stop, hvilket gjorde det muligt for forskerne at observere elektronspins dans omkring Ytterbium (Yb) atomerne i YbMgGaO4 krystallen. De brugte en kraftig superledende magnet til at justere spinsene på en ordnet måde for at skabe et udgangspunkt for deres observationer.

"Så fjernede vi magnetfeltet, og lad dem gå tilbage til deres særlige slags vrikkeri, "Sagde Mourigal. Hans team udførte observationer ved ORNL Spallation Neutron Source, et amerikansk Department of Energy Office of Science brugerfacilitet. SNS har omtrent effekten og størrelsen af ​​en partikelsuperkollider, og tillod forskerne at se koncerten med elektroners spins ved at bombardere dem med neutroner.

Normalt, når en elektron vender sit spin, forskere ville forvente, at det ville skabe en pæn kædereaktion, hvilket resulterer i en bølge, der går gennem krystallen. Bølgen af ​​elektronspins, der vender i rækkefølge, kan ligne fans som ved en fodboldkamp, ​​der står og sidder ned for at få en bølge til at gå rundt på stadion.

Men der skete noget underligt. "Denne jumbly slags spin -bølge brød op i mange andre bølger, fordi alt er kollektivt, alt er viklet ind, "Sagde Mourigal." Det var et kontinuum af ophidselser, men nedbrydes på tværs af mange elektroner på én gang. "

Det lignede kvalitativt det, der blev observeret ved hjælp af den samme teknik på herbertsmithite.

Nobelpristopologi -doughnut

For at godkende observationer foretaget af Mourigals team, teoretiske fysikere bliver nødt til at knuse dataene med metoder, der, delvis, stole på topologi, et fokus for Nobelprisen i fysik i 2016. Mourigal tror, ​​at chancerne er store, at de vil bestå mønstre. "Ved første øjekast, dette materiale skriger, 'Jeg er en kvante -spin væske, '" han sagde.

Men det skal gennemgå et år langt batteri af strenge matematiske test. De teoretiske fysikere vil vikle dataene rundt om en matematisk "doughnut" for at bekræfte, om det er en kvante -spin -væske.

"Det er alvorligt ment, "Sagde Mourigal." Som en matematisk mental øvelse, de spreder praktisk talt spinvæsken omkring en doughnutform, og den måde, det reagerer på at være på en doughnut, fortæller dig noget om arten af ​​denne spinvæske. "

Selvom sammenfiltrede partikler synes at trodse rum og tid, formen på rummet, de indtager, påvirker karakteren af ​​sammenfiltringsmønsteret.

Muligheden for en kvante -spin væske blev først demonstreret i 1930'erne, men kun ved hjælp af atomer placeret i en lige linje. Fysikere har i årtier siden søgt efter materialer, der indeholder dem.