Sædvanlig kvantetilstand af stof observeret for første gang

Det er ikke hver dag, at nogen støder på en ny tilstand af stof i kvantefysikken, det videnskabelige felt, der er viet til at beskrive adfærden af ​​atomare og subatomare partikler for at belyse deres egenskaber.

Alligevel er det præcis, hvad et internationalt team af forskere, der omfatter Andrea Bianchi, University of Montreal fysikprofessor og forsker ved Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, og hans studerende Avner Fitterman og Jérémi Dudemaine har gjort.

I en nylig artikel offentliggjort i det videnskabelige tidsskriftPhysical Review X , dokumenterer forskerne en "kvantespin flydende grundtilstand" i et magnetisk materiale skabt i Bianchis laboratorium:Ce₂ Zr₂ O₇ , en forbindelse sammensat af cerium, zirconium og oxygen.

Som en væske låst inde i et ekstremt koldt fast stof

I kvantefysikken er spin en indre egenskab ved elektroner forbundet med deres rotation. Det er spin, der giver materialet i en magnet dets magnetiske egenskaber.

I nogle materialer resulterer spin i en uorganiseret struktur svarende til den af ​​molekyler i en væske, deraf udtrykket "spinvæske."

Generelt bliver et materiale mere uorganiseret, når dets temperatur stiger. Dette er for eksempel tilfældet, når vand bliver til damp. Men det vigtigste kendetegn ved spin-væsker er, at de forbliver uorganiserede, selv når de afkøles til så lavt som det absolutte nulpunkt (–273°C).

Spinvæsker forbliver uorganiserede, fordi rotationsretningen fortsætter med at svinge, efterhånden som materialet afkøles i stedet for at stabilisere sig i en fast tilstand, som det gør i en konventionel magnet, hvor alle spins er justeret.

Kunsten at 'frustrere' elektroner

Forestil dig en elektron som et lillebitte kompas, der peger enten op eller ned. I konventionelle magneter er elektronspindene alle orienteret i samme retning, op eller ned, hvilket skaber det, der er kendt som en "ferromagnetisk fase". Det er det, der holder billeder og noter fastgjort til dit køleskab.

Men i kvantespinvæsker er elektronerne placeret i et trekantet gitter og danner en "ménage à trois" karakteriseret ved intens turbulens, der forstyrrer deres rækkefølge. Resultatet er en sammenfiltret bølgefunktion og ingen magnetisk orden.

"Når en tredje elektron tilføjes, kan elektronspindene ikke justeres, fordi de to naboelektroner altid skal have modsatrettede spins, hvilket skaber det, vi kalder magnetisk frustration," forklarede Bianchi. "Dette genererer excitationer, der opretholder uorden i spins og derfor den flydende tilstand, selv ved meget lave temperaturer."

Så hvordan tilføjede de en tredje elektron og forårsagede sådan en frustration?

Oprettelse af en ménage à trois

Indtast den frustrerede magnet Ce₂ Zr₂ O₇ skabt af Bianchi i hans laboratorium. Til hans allerede lange liste af resultater inden for udvikling af avancerede materialer som superledere, kan vi nu tilføje "mester i kunsten at frustrerende magneter."

Ce₂ Zr₂ O₇ er et ceriumbaseret materiale med magnetiske egenskaber. "Eksistensen af ​​denne forbindelse var kendt," sagde Bianchi. "Vores gennembrud var at skabe det i en unik ren form. Vi brugte prøver smeltet i en optisk ovn til at producere et næsten perfekt trekantet arrangement af atomer og kontrollerede derefter kvantetilstanden."

Det var denne næsten perfekte trekant, der gjorde det muligt for Bianchi og hans team hos UdeM at skabe magnetisk frustration i Ce₂ Zr₂ O₇ . I samarbejde med forskere ved McMaster og Colorado State-universiteterne, Los Alamos National Laboratory og Max Planck Institute for the Physics of Complex System i Dresden, Tyskland, målte de forbindelsens magnetiske diffusion.

"Vores målinger viste en overlappende partikelfunktion - derfor ingen Bragg-toppe - et klart tegn på fraværet af klassisk magnetisk orden," sagde Bianchi. "Vi observerede også en fordeling af spins med kontinuerligt fluktuerende retninger, hvilket er karakteristisk for spin-væsker og magnetisk frustration. Dette indikerer, at det materiale, vi har skabt, opfører sig som en ægte spin-væske ved lave temperaturer."

Fra drøm til virkelighed

Efter at have bekræftet disse observationer med computersimuleringer konkluderede holdet, at de faktisk var vidne til en aldrig før set kvantetilstand.

"At identificere en ny kvantetilstand af stof er en drøm, der går i opfyldelse for enhver fysiker," sagde Bianchi. "Vores materiale er revolutionerende, fordi vi er de første til at vise, at det faktisk kan præsenteres som en spin-væske. Denne opdagelse kan åbne døren til nye tilgange til at designe kvantecomputere."

Frustrerede magneter i en nøddeskal

Magnetisme er et kollektivt fænomen, hvor elektronerne i et materiale alle spinder i samme retning. Et dagligdags eksempel er ferromagneten, som skylder sine magnetiske egenskaber til justeringen af ​​spins. Naboelektroner kan også spinde i modsatte retninger. I dette tilfælde har spinsene stadig veldefinerede retninger, men der er ingen magnetisering. Frustrerede magneter er frustrerede, fordi naboelektronerne forsøger at orientere deres spins i modsatte retninger, og når de befinder sig i et trekantet gitter, kan de ikke længere slå sig ned på et fælles, stabilt arrangement. Resultatet:en frustreret magnet. + Udforsk yderligere

Computational sleuthing bekræfter den første 3D-kvantespinvæske