Teoretikere foreslår betingelser, der er nødvendige for at søge efter ny form for stof

Da forskere har undersøgt stoffets struktur og egenskaber på stadig dybere niveauer, har de opdaget mange eksotiske nye materialer, herunder superledere, der bærer elektrisk strøm uden modstand, flydende krystaller, der justeres for at producere strålende dynamiske displays, og materialer, der udviser forskellige former for magnetisme. Alligevel eksisterer nogle eksotiske former for stof kun i teorien, forudsagt af forskere baseret på, hvad de har lært på disse dybere niveauer. Nu leverer et par fysikere en teoretisk køreplan, der kan pege på opdagelsen af ​​en sådan eksotisk magnetisk ordnet tilstand, kaldet en "chiral spin -væske".

"Denne form for stof blev først foreslået for omkring 30 år siden som en bestemt slags magnetisk orden uden en bestemt global retning af magnetiske øjeblikke, "sagde Alexei Tsvelik, en teoretiker ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. "Men dens opdagelse er forblevet en røredrøm, indtil nu."

I et nyt papir accepteret som et redaktionsforslag af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , Tsvelik og medforfatter Oleg Yevtushenko fra Ludwig Maximilian University i Tyskland beskriver de generelle krav, som et sådant magnetisk system bør opfylde. De giver også særlige forslag til, hvor og hvordan man kan søge efter rigtige eksempler på chirale spinvæsker.

Søger efter ordre

For et enkelt eksempel på, hvordan materiens egenskaber stammer fra "orden" blandt dets byggesten, tænk på, hvordan temperaturen påvirker arrangementet af vandmolekyler. Du får dramatisk forskellige egenskaber afhængigt af om molekylerne frit kan bevæge sig som damp, afkølet til at flyde kollektivt som en væske, eller låst i faste positioner i en fast iskrystal.

"I det simple tilfælde, den krystallinske orden kan ses med det blotte øje, "Sagde Tsvelik." Men fysikere er altid på udkig efter noget mere subtilt og sofistikeret, "såsom rækkefølge i orienteringen af ​​elektroners magnetiske øjeblikke.

Elektroner har en egenskab kaldet spin, noget analogt med drejningen af ​​en legetøjstop. Rotationsaksen bestemmer, hvilken retning spinet peger, og får individuelle elektroner til at virke som små magneter. I et materiale som jern, når retningerne for elektronernes mikroskopiske magnetiske øjeblikke er justeret, du får magnetisme i den makroskopiske skala.

I en chiral centrifugeringsvæske, imidlertid, forskerne leder ikke efter sådan en magnetisk rækkefølge med lang rækkevidde. I stedet søger de efter en bestemt type lokal magnetisk orden blandt grupper på tre naboelektroner.

"Det, vi ønsker, er et arrangement, hvor tre nabomagnetiske øjeblikke laver en triade med deres orienteringer fast i forhold til hinanden, men der er ingen global orientering, "Sagde Tsvelik. Han bruger sin højre hånd til at demonstrere de relative orienteringer, med tommelfinger og pegefinger dannet et L og langfingeren pegende lige ud fra håndfladen, alle i rette vinkler til hinanden - som x, y, z-akser på en tredimensionel graf.

Brug af en hånd er en passende rekvisit, fordi det let viser, at et spejl-billedarrangement kan opnås ved hjælp af venstre hånd i stedet for den højre. Disse to forskellige arrangementer er eksempler på positiv og negativ chiralitet, et ord, som fysikere og kemikere bruger til at beskrive tredimensionelle strukturs "hænder". Efter bestilling, spinvæsken vælger spontant en bestemt kiralitet, Sagde Tsvelik.

Baseret på deres forståelse af materialegenskaber, forskerne forudsagde, hvilke egenskaber chirale spinvæsker med sådanne arrangementer skulle have, og brugte derefter teoretiske beregninger til at understøtte deres ideer. Papiret indeholder endda den kemiske formel for et bestemt materiale, de gerne vil have eksperimentelle forskere til at undersøge.

I det væsentlige, Tsvelik sagde, materialet skal være et lagdelt metal, hvor spinnene er placeret i godt adskilte lag, og hvor de lokaliserede magnetiske øjeblikke kan sameksistere med ledningselektroner. Det skal også reagere kraftigt på et ikke-ensartet magnetfelt med en særlig periodicitet-svarende til den måde, hvorpå de eksterne vibrationer i en operasangeres stemme kan knuse et glas, der vibrerer ved den samme resonansfrekvens som noten. Men forvent ikke, at metallet går i stykker, Sagde Tsvelik.

Hvad kan vi forvente, hvis f.eks. Kiral spinvæske opdages? Tsvelik har ikke specifikke forudsigelser.

"Hvis man ser på videnskabens historie - fra opdagelsen af ​​mekanik til elektronen til at splitte atomet - har det aldrig været drevet af applikationer. Mange gange dukker applikationer til sidst op, selv gigantiske, såsom dem, der udløste den industrielle revolution, som udsprang af opdagelserne i Newton. Men det er ikke det, der driver videnskaben, " han sagde.