Kansainvälinen tutkimusryhmä - mukaan lukien Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- on löytänyt kvanttitilan, joka voitaisiin kuvata tällä tavalla. Tiedemiehet onnistuivat jäähdyttämään erikoismateriaalin lähes absoluuttisen nollan lämpötilaan. He havaitsivat, että atomien keskeinen ominaisuus - niiden kohdistus - ei "jäätynyt", kuten tavallista, vaan pysyi "nestemäisessä" tilassa.
Sisällä kvanttimateriaalit, elektronit vuorovaikuttavat epätavallisella intensiteetillä sekä keskenään että kidehilan atomien kanssa. Tämä läheinen yhteys tuottaa voimakkaita kvanttiefektejä, jotka vaikuttavat mikroskooppisiin ja makroskooppisiin tasoihin. Nämä ilmiöt antavat kvanttimateriaalille poikkeuksellisia ominaisuuksia. Esimerkiksi alhaisissa lämpötiloissa ne voivat kuljettaa sähköä häviöttömästi. Usein pienetkin lämpötilan, paineen tai sähköjännitteen vaihtelut riittävät muuttamaan materiaalin käyttäytymistä merkittävästi.
Professori Jochen Wosnitza Dresdenin High Field Magnetic Laboratorysta (HLD) HZDR:stä sanoi: ”Periaatteessa magneetteja voidaan pitää myös kvanttimateriaaleina; loppujen lopuksi magnetismi perustuu materiaalissa olevien elektronien luontaiseen Spiniin. Jollain tapaa nämä pyöräytykset voivat käyttäytyä kuin neste."
"Lämpötilan laskiessa nämä epäsäännölliset kierrokset voivat jäätyä, aivan kuten vesi jäätyy."
"Esimerkiksi tietynlaiset magneetit, niin kutsutut ferromagneetit, ovat ei-magneettisia "jäätymispisteensä" tai tarkemmin sanoen järjestyspisteensä yläpuolella. Vain kun ne putoavat sen alle, niistä voi tulla kestomagneetteja."
Tässä tutkimuksessa tutkijat yrittivät löytää kvanttitilan, jossa spineihin liittyvä atomien kohdistus ei ollut järjestynyt edes ultrakylmissä lämpötiloissa – samanlainen kuin neste, joka ei jähmety edes äärimmäisessä kylmässä.
Tämän tilan saavuttamiseksi tutkimusryhmä käytti ainutlaatuista ainetta, praseodyymin, zirkoniumin ja hapen seosta. He uskoivat, että tämän materiaalin kidehilan ominaisuudet mahdollistaisivat elektronien spinien vuorovaikutuksen yksilöllisesti atomien ympärillä olevien kiertoratojensa kanssa.
Professori Satoru Nakatsuji Tokion yliopistosta sanoi: ”Edellytyksenä oli kuitenkin äärimmäisen puhtaiden ja laadukkaiden kiteiden saaminen. Se kesti useita yrityksiä, mutta lopulta ryhmä pystyi tuottamaan kokeeseensa riittävän puhtaita kiteitä: asiantuntijat jäähdyttivät näytteensä vähitellen 20 millikelviniin kryostaatissa, eräänlaisessa supertermospullossa. absoluuttisen nollan yläpuolella. Nähdäksesi kuinka näyte reagoi tähän jäähdytysprosessiin ja sen sisällä magneettikenttä, he mittasivat kuinka paljon sen pituus muuttui. Toisessa kokeessa ryhmä kirjasi, kuinka kide reagoi ultraääniaalloille, jotka lähetettiin suoraan sen läpi.
Dr. Sergei Zherlitsyn, HLD:n ultraäänitutkimusten asiantuntija, kuvaa, ”Jos pyöräytyksiä olisi määrätty, sen olisi pitänyt aiheuttaa äkillinen muutos kiteen käyttäytymisessä, kuten äkillinen pituusmuutos. Mutta kuten havaitsimme, mitään ei tapahtunut! Pituudessa tai sen vasteessa ei ollut äkillisiä muutoksia ultraääniaaltoja"
”Spinien ja orbitaalien selvä vuorovaikutus oli estänyt järjestyksen, minkä vuoksi atomit pysyivät nestemäisessä kvanttitilassaan – ensimmäistä kertaa tällainen kvanttitila havaittiin. Magneettikenttien lisätutkimukset vahvistivat tämän oletuksen."
Jochen Wosnitza spekuloi, "Tällä perustutkimuksen tuloksella voi olla myös käytännön vaikutuksia jonain päivänä: jossain vaiheessa voimme ehkä käyttää uutta kvanttitilaa herkkien kvanttianturien kehittämiseen. Tätä varten meidän on kuitenkin vielä selvitettävä, kuinka herätteitä generoidaan järjestelmällisesti tässä tilassa. Kvanttitunnistinta pidetään lupaavana tulevaisuuden teknologiana. Koska kvanttiluonteensa ansiosta ne ovat erittäin herkkiä ulkoisille ärsykkeille, kvanttianturit voivat rekisteröidä magneettikenttiä tai lämpötiloja paljon tarkemmin kuin perinteiset anturit.
Lehden viite:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et ai. Spin–orbitaalinen nestetila ja neste–kaasu metamagneettinen siirtymä pyrokloorihilassa. Nat. Phs. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
