Teoretisk kvantespinnevæske tilberedt for første gang

I 1987, Paul W. Anderson, en nobelprisvinder i fysik, foreslog, at supraledning ved høj temperatur, eller tab af elektrisk modstand, er relateret til en eksotisk kvantetilstand, der nu er kendt som kvantespindvæske. Magnetiske materialer består af meget små magneter, som kan være så lille som individuelle elektroner. Styrken og retningen af ​​disse er beskrevet af det magnetiske moment. I kvante -centrifugeringsvæsker, magnetiske øjeblikke opfører sig som en væske og fryser ikke eller bestiller selv ved absolut nul. Disse kvantetilstande bliver undersøgt som lovende materialer til nye, såkaldte topologiske kvantecomputere, hvor operationer er baseret på partikellignende ophidsede tilstande, der findes i kvante-spin-væsker. Ud over den store regnekraft, en topologisk kvantecomputer er kendetegnet ved høj fejltolerance, hvilket gør det muligt at øge computerens størrelse. Imidlertid, kun nogle få kvante -spin -væsker, der er egnede til topologiske kvantecomputere, er hidtil blevet identificeret.

Nu, for første gang nogensinde, forskere fra Aalto University, Brasiliansk Center for Forskning i Fysik (CBPF), Technical University of Braunschweig og Nagoya University har produceret den superlederlignende kvante-spin-væske, som Anderson forudsagde. Dette er et vigtigt skridt i retning af at forstå superledere og kvantematerialer. Fremstillingen af ​​en kvante -spin væske blev muliggjort ved en ny måde at skræddersy egenskaberne for magnetiske materialer, der blev udviklet af kemikere ved Aalto University. Resultaterne af forskningen er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Højtemperatur superledere er kobberoxider, hvor kobberionerne danner et firkantet gitter, så de tilstødende magnetiske momenter vender i modsatte retninger. Når denne struktur forstyrres ved at ændre oxidationstilstanden for kobber, materialet bliver superledende. I den nye forskning, der nu er offentliggjort, de magnetiske interaktioner af denne firkantede struktur blev ændret med ioner med en elektronisk struktur d10 og d0, som gjorde materialet til en kvantespindvæske.

"I fremtiden, denne nye d10/d0 -metode kan bruges i mange andre magnetiske materialer, herunder forskellige kvantematerialer, "siger doktorand Otto Mustonen fra Aalto University.

Problemfrit samarbejde

Empirisk påvisning af kvante -spin -væsker er vanskelig og kræver omfattende forskningsinfrastruktur.

"Vi brugte muon-spin-spektroskopi i denne undersøgelse. Denne metode er baseret på interaktionen mellem meget kortvarig, elektronlignende elementarpartikler, kendt som muons, med det materiale, der undersøges. Metoden kan detektere meget svage magnetfelter i kvantematerialer, "siger professor F. Jochen Litterst fra det tekniske universitet i Braunschweig. Målingerne blev udført på Paul Scherrer -instituttet i Schweiz.

"Ud over udstyr i topklasse, forskningen kræver problemfrit samarbejde mellem kemikere og fysikere, "siger professor Maarit Karppinen." Vi får brug for den samme internationale tværfaglige tilgang i fremtiden, så denne forskning om kvante -spin -væsker kan føre os til eksperimentel realisering af den topologiske kvantecomputer. "