Rahvusvaheline uurimisrühm, sealhulgas Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- on avastanud kvantoleku, mida saaks sel viisil kirjeldada. Teadlastel õnnestus eriline materjal jahutada absoluutse nullilähedase temperatuurini. Nad leidsid, et aatomite keskne omadus – nende joondamine – ei "külmunud", nagu tavaliselt, vaid jäi "vedelasse" olekusse.
Jooksul kvantmaterjalid, interakteeruvad elektronid ebatavalise intensiivsusega nii üksteisega kui ka kristallvõre aatomitega. See tihe seos tekitab tugevaid kvantefekte, mis mõjutavad mikroskoopilist ja makroskoopilist taset. Need nähtused annavad kvantmaterjalidele erakordsed omadused. Näiteks võivad nad madalatel temperatuuridel elektrit kadudeta kanda. Sageli on isegi väikesed temperatuuri, rõhu või elektripinge kõikumised piisavad, et oluliselt muuta materjali käitumist.
Prof Jochen Wosnitza HZDR-i Dresdeni kõrgvälja magnetlaborist (HLD) ütles: “Põhimõtteliselt võib magneteid käsitleda ka kvantmaterjalidena; ju põhineb magnetism materjalis olevate elektronide sisemisel spinnil. Mõnes mõttes võivad need keerutused käituda nagu vedelik.
"Kui temperatuur langeb, võivad need korrastamata pöörlemised külmuda, nagu vesi jääks külmub."
"Näiteks teatud tüüpi magnetid, nn ferromagnetid, on oma külmumispunktist või täpsemalt tellimispunktist kõrgemal mittemagnetilised. Ainult siis, kui nad sellest allapoole langevad, võivad neist saada püsimagnetid.
Selles uuringus püüdsid teadlased avastada kvantolekut, milles spinnidega seotud aatomite joondus ei olnud korras isegi ülikülmatel temperatuuridel – sarnaselt vedelikuga, mis ei tahku isegi äärmise külma korral.
Selle oleku saavutamiseks kasutas uurimisrühm ainulaadset ainet, praseodüümi, tsirkooniumi ja hapniku segu. Nad uskusid, et selle materjali kristallvõre omadused võimaldavad elektronide spinnidel ainulaadselt suhelda nende orbitaalidega aatomite ümber.
Prof Satoru Nakatsuji Tokyo ülikoolist ütles: «Eelduseks oli aga ülima puhtuse ja kvaliteediga kristallide olemasolu. Selleks kulus mitu katset, kuid lõpuks suutis meeskond toota katse jaoks piisavalt puhtaid kristalle: krüostaadis, omamoodi supertermoskolvis, jahutasid eksperdid proovi järk-järgult 20 millikelvinini – kõigest ühe viiekümnendiku kraadini. üle absoluutse nulli. Et näha, kuidas proov reageeris sellele jahutusprotsessile ja selle sees magnetväli, mõõtsid nad, kui palju selle pikkus muutus. Teises katses registreeris rühm, kuidas kristall reageeris otse läbi selle saadetud ultrahelilainetele.
Dr Sergei Žerlitsyn, HLD ultraheliuuringute ekspert, kirjeldab «Kui spinnid oleks tellitud, oleks see pidanud põhjustama järsu muutuse kristalli käitumises, näiteks järsu pikkuse muutuse. Ometi, nagu me täheldasime, ei juhtunud midagi! Ei olnud järske muutusi ei pikkuses ega selle reaktsioonis ultraheli lained. "
"Spinnide ja orbitaalide väljendunud koosmõju oli takistanud järjestamist, mistõttu jäid aatomid oma vedelasse kvantolekusse – esimest korda täheldati sellist kvantolekut. Magnetväljade edasised uuringud kinnitasid seda oletust.
Jochen Wosnitza spekuleerib, "Sellel alusuuringu tulemusel võib ühel päeval olla ka praktilisi tagajärgi: mingil hetkel võime kasutada uut kvantolekut vastuvõtlike kvantandurite väljatöötamiseks. Selleks peame aga veel välja mõtlema, kuidas selles olekus erutusi süstemaatiliselt genereerida. Kvantandurit peetakse paljulubavaks tulevikutehnoloogiaks. Kuna nende kvantiseloom muudab nad väliste stiimulite suhtes äärmiselt tundlikuks, suudavad kvantandurid registreerida magnetvälju või temperatuure palju suurema täpsusega kui tavalised andurid.
Ajakirja viide:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. jt. Spin-orbitaalne vedel olek ja vedeliku-gaasi metamagnetiline üleminek pürokloorvõrel. Nat. Phs. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
