Eksperimenter sår tvivl om eksistensen af ​​kvantespinvæsker

En kvantespinvæske er en stoftilstand, hvor interagerende kvantespind ikke justeres selv ved laveste temperaturer, men forbliver uordnet. Forskning i denne tilstand har stået på i næsten 50 år, men om det virkelig eksisterer er aldrig blevet bevist uden tvivl. Et internationalt hold ledet af fysiker prof. Martin Dressel ved universitetet i Stuttgart har nu sat en stopper for drømmen om en kvantespinvæske foreløbig. Alligevel, sagen er fortsat spændende.

Når temperaturen falder til under nul grader celsius, vand bliver til is. Men fryser alting rent faktisk, hvis man bare køler det nok ned? I det klassiske billede, stof bliver i sagens natur fast ved lave temperaturer. Kvantemekanik kan, imidlertid, bryde denne regel. Derfor, helium gas, for eksempel, kan blive flydende ved -270 grader, men aldrig fast under atmosfærisk tryk:Der er ingen heliumis.

Det samme gælder for materialers magnetiske egenskaber:ved tilstrækkeligt lave temperaturer, de magnetiske øjeblikke kendt som 'spin', for eksempel, indrette sig sådan, at de er orienteret modsat/antiparallelt med deres respektive naboer. Man kan tænke på dette som pile, der peger skiftevis op og ned langs en kæde eller i et skakternet mønster. Det bliver frustrerende, når mønsteret er baseret på trekanter:Mens to spins kan justeres i modsatte retninger, den tredje er altid parallel med den ene af dem og ikke med den anden – uanset hvordan du vender den.

For dette problem, kvantemekanik foreslår den løsning, at orienteringen og bindingen af ​​to spins ikke er stive, men spins svinger. Den dannede tilstand kaldes en kvantespinvæske, hvor spindene udgør et kvantemekanisk sammenfiltret ensemble. Denne idé blev foreslået for næsten halvtreds år siden af ​​den amerikanske nobelpristager Phil W. Anderson (1923-2020). Efter årtiers forskning, kun en håndfuld virkelige materialer er tilbage i søgen efter denne eksotiske tilstand af stof. Som en særlig lovende 'kandidat' blev et trekantet gitter i en kompleks organisk forbindelse overvejet, hvor ingen magnetisk rækkefølge med et regulært op-ned-mønster kunne observeres, selv ved ekstremt lave temperaturer. Var dette beviset på, at kvantespinvæsker virkelig eksisterer?

Et problem er, at det er ekstremt udfordrende at måle elektronspin ned til så ekstremt lave temperaturer, især langs forskellige krystalretninger og i variable magnetfelter. Alle tidligere eksperimenter har kun været i stand til at sondere kvantespinvæsker mere eller mindre indirekte, og deres fortolkning er baseret på visse antagelser og modeller. Derfor, en ny metode til bredbåndselektron-spin-resonansspektroskopi er blevet udviklet over mange år på Institut for Fysik 1 ved Universitetet i Stuttgart.

Ved hjælp af on-chip mikrobølgelinjer, man kan direkte observere egenskaberne af spins ned til et par hundrededele af en grad over det absolutte nulpunkt. Derved, forskerne fandt ud af, at de magnetiske momenter ikke arrangerer sig selv i op-ned-mønsteret af en typisk magnet, de danner heller ikke en dynamisk tilstand, der ligner en væske. "Faktisk, vi observerede spins i rumligt adskilte par. Dermed, vores eksperimenter har knust drømmen om en kvantespinvæske for nu, i det mindste for denne forbindelse, " opsummerer prof. Martin Dressel, leder af Institut for Fysik 1.

Men selvom parrene ikke svingede som håbet, denne eksotiske grundtilstand af stof har ikke mistet noget af sin fascination for fysikerne. "Vi ønsker at undersøge, om kvantespinvæsker kan påvises i andre trekantede gitterforbindelser eller endda i helt andre systemer såsom bikagestrukturer", Dressel skitserer de næste trin. Imidlertid, det kunne også være, at en sådan uorden, dynamisk tilstand eksisterer simpelthen ikke i naturen. Måske fører enhver form for interaktion på den ene eller anden måde til et regulært arrangement, hvis temperaturen er lav nok. Spins kan bare lide at parre sig.