Μια διεθνής ερευνητική ομάδα- συμπεριλαμβανομένου του Helmholtz-Zentrum Δρέσδη-Rossendorf (HZDR)- ανακάλυψε μια κβαντική κατάσταση που θα μπορούσε να περιγραφεί με αυτόν τον τρόπο. Οι επιστήμονες κατάφεραν να ψύξουν ένα ειδικό υλικό σε σχεδόν απόλυτο μηδέν θερμοκρασία. Διαπίστωσαν ότι μια κεντρική ιδιότητα των ατόμων – η ευθυγράμμισή τους – δεν «πάγωσε», ως συνήθως, αλλά παρέμεινε σε «υγρή» κατάσταση.
Εντός κβαντικά υλικά, τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με ασυνήθιστη ένταση, τόσο μεταξύ τους όσο και με τα άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτή η στενή σύνδεση παράγει ισχυρά κβαντικά αποτελέσματα που επηρεάζουν τα μικροσκοπικά και τα μακροσκοπικά επίπεδα. Αυτά τα φαινόμενα δίνουν στα κβαντικά υλικά εξαιρετικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, σε χαμηλές θερμοκρασίες, μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς απώλειες. Συχνά, ακόμη και μικρές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία, την πίεση ή την ηλεκτρική τάση είναι επαρκείς για να αλλάξουν σημαντικά τη συμπεριφορά ενός υλικού.
Ο καθηγητής Jochen Wosnitza από το Μαγνητικό Εργαστήριο Υψηλού Πεδίου της Δρέσδης (HLD) στο HZDR είπε, «Καταρχήν, οι μαγνήτες μπορούν επίσης να θεωρηθούν κβαντικά υλικά. Εξάλλου, ο μαγνητισμός βασίζεται στο εγγενές Spin των ηλεκτρονίων στο υλικό. Κατά κάποιο τρόπο, αυτές οι περιστροφές μπορούν να συμπεριφέρονται σαν υγρό.»
«Καθώς πέφτουν οι θερμοκρασίες, αυτές οι άτακτες περιστροφές μπορούν να παγώσουν, όπως το νερό παγώνει σε πάγο».
«Για παράδειγμα, ορισμένα είδη μαγνήτες, οι λεγόμενοι σιδηρομαγνήτες, είναι μη μαγνητικοί πάνω από το σημείο "πήξης" τους, ή ακριβέστερα, το σημείο παραγγελίας. Μόνο όταν πέφτουν κάτω από αυτό μπορούν να γίνουν μόνιμοι μαγνήτες».
Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες προσπάθησαν να ανακαλύψουν μια κβαντική κατάσταση στην οποία η ατομική ευθυγράμμιση που σχετίζεται με τις περιστροφές δεν ήταν τάξη, ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες - παρόμοια με ένα υγρό που δεν στερεοποιείται, ακόμη και σε ακραίο κρύο.
Για να φτάσει σε αυτή την κατάσταση, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια μοναδική ουσία, ένα μείγμα πρασεοδύμιου, ζιρκονίου και οξυγόνου. Πίστευαν ότι τα χαρακτηριστικά του κρυσταλλικού πλέγματος σε αυτό το υλικό θα επέτρεπαν στα σπιν των ηλεκτρονίων να αλληλεπιδράσουν μοναδικά με τα τροχιακά τους γύρω από τα άτομα.
Ο καθηγητής Satoru Nakatsuji του Πανεπιστημίου του Τόκιο είπε, «Απαραίτητη προϋπόθεση, ωστόσο, ήταν να υπάρχουν κρύσταλλοι εξαιρετικής καθαρότητας και ποιότητας. Χρειάστηκαν αρκετές προσπάθειες, αλλά τελικά, η ομάδα μπόρεσε να παράγει κρυστάλλους αρκετά καθαρούς για το πείραμά της: Σε έναν κρυοστάτη, ένα είδος σούπερ φιάλης θερμός, οι ειδικοί ψύξαν σταδιακά το δείγμα τους στα 20 millikelvin - μόλις το ένα πενήντα του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Για να δείτε πώς ανταποκρίθηκε το δείγμα σε αυτή τη διαδικασία ψύξης και μέσα στο μαγνητικό πεδίο, μέτρησαν πόσο άλλαξε σε μήκος. Σε ένα άλλο πείραμα, η ομάδα κατέγραψε πώς ο κρύσταλλος αντιδρούσε στα υπερηχητικά κύματα που στέλνονταν απευθείας μέσα από αυτόν».
Ο Δρ Σεργκέι Ζερλίτσιν, ειδικός του HLD στις έρευνες υπερήχων, περιγράφει, «Εάν είχαν παραγγελθεί οι περιστροφές, θα έπρεπε να είχε προκαλέσει μια απότομη αλλαγή στη συμπεριφορά του κρυστάλλου, όπως μια ξαφνική αλλαγή στο μήκος. Ωστόσο, όπως παρατηρήσαμε, δεν έγινε τίποτα! Δεν υπήρξαν ξαφνικές αλλαγές ούτε στο μήκος ούτε στην απόκρισή του υπερηχητικά κύματα. "
«Η έντονη αλληλεπίδραση των σπιν και των τροχιακών είχε αποτρέψει την ταξινόμηση, γι' αυτό τα άτομα παρέμειναν στην υγρή κβαντική τους κατάσταση – την πρώτη φορά που παρατηρήθηκε μια τέτοια κβαντική κατάσταση. Περαιτέρω έρευνες σε μαγνητικά πεδία επιβεβαίωσαν αυτή την υπόθεση».
Γιόχεν Βοσνίτζα εικάζει, «Αυτό το βασικό ερευνητικό αποτέλεσμα θα μπορούσε επίσης να έχει πρακτικές επιπτώσεις μια μέρα: Κάποια στιγμή, ίσως μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε τη νέα κβαντική κατάσταση για να αναπτύξουμε ευαίσθητους κβαντικούς αισθητήρες. Για να γίνει αυτό, ωστόσο, πρέπει ακόμα να καταλάβουμε πώς να δημιουργούμε διέγερση σε αυτήν την κατάσταση συστηματικά. Η κβαντική ανίχνευση θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία του μέλλοντος. Επειδή η κβαντική τους φύση τους καθιστά εξαιρετικά ευαίσθητους σε εξωτερικά ερεθίσματα, οι κβαντικοί αισθητήρες μπορούν να καταγράψουν μαγνητικά πεδία ή θερμοκρασίες με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από τους συμβατικούς αισθητήρες».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Tang, Ν., Gritsenko, Υ., Kimura, Κ. et αϊ. Υγρή κατάσταση σπιν-τροχίας και μεταμαγνητική μετάβαση υγρού-αερίου σε πλέγμα πυροχλωρίου. Nat. Phyμικρό. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
