Ser du lyset? Undersøgelse belyser, hvordan kvantemagneter efterligner lys

Hvad er lys? Det lyder som et simpelt spørgsmål, men det er en, der har optaget nogle af de bedste videnskabelige hjerner i århundreder.

Nu, en samarbejdsundersøgelse med forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har tilføjet endnu et twist til historien, at gøre en abstrakt teori om magneters kvanteegenskaber til en testbar hypotese om en ny slags lys.

Lige siden Isaac Newton brød lys gennem prismer i 1672, Forskere er blevet splittet over, om lys består af partikler eller bølger. Lys ser ud til at rejse i lige linjer, som man kunne forvente af en partikel, men Newtons eksperimenter har vist, at det også har frekvens og bølgelængde, som lydbølger.

Næsten 200 år senere, den skotske fysiker James Clerk Maxwell leverede en del af svaret, da han indså, at lys bestod af fluktuerende elektriske og magnetiske felter. Det var først i det 20. århundrede gennem Einsteins arbejde, at lys endelig blev forstået som værende lavet af fundamentale partikler kaldet fotoner, der virker som både partikler og bølger.

Denne opdagelse hjalp med at inspirere den nye videnskab om kvantemekanik, som beskriver opførsel af stof og energi på det atomare og subatomare niveau.

For nylig, i slutningen af ​​det 20. århundrede, fysikere begyndte at udforske et fænomen kaldet emergens. Ligesom store grupper af menneskers adfærd kan adskille sig fra ethvert enkelt medlem af gruppen, emergence beskriver, hvordan partikler i store grupper kan opføre sig på uventede måder, afsløre nye fysiklove eller give gamle en ny kontekst. Et spørgsmål der blev stillet var, "Kunne der være sådan noget som emergent lys?"

Dette bringer os til OIST professor Nic Shannon, Han Yan, en ph.d. studerende i hans Theory of Quantum Matter Unit, og deres kolleger i Schweiz og i USA. Deres seneste arbejde er centreret om en mærkelig familie af magnetiske systemer kendt som spin-is, som undslipper alle konventionelle former for magnetisk orden og i stedet åbner et vindue mod kvanteverdenen.

I konventionelle magneter som dem på dit køleskab, magnetiske atomer producerer et lille magnetfelt og arbejder sammen om at generere de meget større magnetiske felter, som gør dem i stand til at "klæbe" til metalgenstande. Dette er muligt, fordi de små magnetiske felter, der er forbundet med hvert andet atom i magneten, ordner sig selv, så de peger i samme retning.

I spin-is, imidlertid, atomer ordner ikke magnetisk, men arbejder stadig sammen om at producere et magnetfelt, som svinger på atomskalaen.

For nylig, forskere indså, at kvanteeffekter ved lave temperaturer kan introducere et opstået elektrisk felt i spin-is, med en forbløffende konsekvens:Emergent elektriske og magnetiske felter kombineres for at producere magnetiske excitationer, der opfører sig nøjagtigt som fotoner af lys.

"Det opfører sig som lys, men du kan ikke se det med dine øjne, " sagde professor Shannon "Forestil dig krystallen af ​​spin-is er et lille univers med sine egne naturlove, og du er på ydersiden og kigger ind. Hvordan kunne du finde ud af, hvad der foregår indeni.

I 2012 var professor Shannon og hans daværende ph.d. Studerende Owen Benton foreslog en måde at detektere lyset inde i en kvantespin-is ved at kaste neutroner fra de magnetiske atomer inde i krystallen. De forudsagde en karakteristisk signatur i, hvordan krystallen absorberer neutronernes energi, som signalerer tilstedeværelsen af ​​den emergent elektrodynamik af en kvante spin-is.

Nu, i et blad udgivet i Naturfysik , forfatterne rapporterer, at de har observeret denne signatur i et materiale kaldet praseodymium hafnate (Pr2Hf2O7).

At finde signaturerne af emergent lys i et ægte materiale viste sig at være meget udfordrende, da det krævede arbejde ved temperaturer så lave som 50 milikelvin - mindre end en tiendedel af en grad over det absolutte nulpunkt - med krystaller fri for snavs og ufuldkommenheder.

Et forskerhold ledet af Dr. Romain Sibille fra Paul Scherrer Institut (PSI) i Schweiz, i samarbejde med kolleger ved University of Warwick i Storbritannien, formået at generere en perfekt krystal af et kvantespind-ismateriale, som de endelig kunne teste hypotesen med.

"Det er meget smukt, som en ædelsten, " sagde prof Shannon, "og det er fantastisk at tænke på, at det hele er én stor krystal uden ufuldkommenheder."

Sibille tog denne krystal med til det europæiske institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble, Frankrig, samt Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee, USA, at bruge disse faciliteters specialudviklede neutronspektrometre.

I et ekstremt udfordrende eksperiment, Sibilles team brugte en række af 960 superspejle belagt med jern, kobolt, og vanadiumlegeringer, der selektivt kunne afspejle forskellige typer neutroner - noget som hans hjemmeinstitution PSI har udviklet, og brugte HYSPEC-instrumentet (ORNL) til at opnå en 3-D-analyse af deres refleksionsmønstre.

I kombination med en grundig kortlægning af de spredte neutroner ved hjælp af IN5-instrumentet (ILL), dette gjorde det muligt for dem at måle polariseringen af ​​de spredte partikler og kortlægge energisignaturerne, som disse partikler producerede."

Dr. Benton og Prof Shannons teori bar en uhyggelig lighed med de eksperimentelle energikort. Den grafiske repræsentation af neutronrefleksion viste såkaldte pinch points, som er karakteristiske træk ved en kvantespind-is. Da spin-isen blev scannet ved lave temperaturer, klemmepunkterne forsvandt på en måde, der kraftigt antydede emergent lys.

Yan arbejdede på teorien og analyserede de eksperimentelle data for at bestemme hastigheden af ​​det nye lys - beskedne 3,6 m pr. omtrent lige så hurtigt som en, der løber et maraton på fire timer. Fotonerne af normalt lys - den slags, du måske solbader under - kunne dække den samme afstand på mindre end en tusindedel af et sekund.

"For mig er det meget fedt, at dette materiale opfører sig som et mini-univers med sit eget lys og ladede partikler," sagde Han.

"På nuværende tidspunkt vi kender ikke nogen måde at forklare disse resultater på uden at påkalde kvantemekanik, " sagde prof Shannon, "så det ser virkelig ud til, at vi har set fremkommet lys."