Egy nemzetközi kutatócsoport – köztük a Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- felfedezett egy kvantumállapotot, amely így leírható. A tudósoknak sikerült egy speciális anyagot az abszolút nulla közeli hőmérsékletre lehűteni. Azt találták, hogy az atomok központi tulajdonsága – az elrendezésük – nem „fagy meg”, mint általában, hanem „folyékony” állapotban maradt.
Belül kvantum anyagok, az elektronok szokatlan intenzitással lépnek kölcsönhatásba, mind egymással, mind a kristályrács atomjaival. Ez a szoros kapcsolat erős kvantumhatásokat eredményez, amelyek hatással vannak a mikroszkopikus és makroszkopikus szintre. Ezek a jelenségek rendkívüli tulajdonságokat adnak a kvantumanyagoknak. Például alacsony hőmérsékleten veszteségmentesen szállítják az áramot. Gyakran a hőmérséklet, a nyomás vagy az elektromos feszültség kismértékű ingadozása is elegendő ahhoz, hogy jelentősen megváltoztassa az anyag viselkedését.
Prof. Jochen Wosnitza, a HZDR drezdai nagytérű mágneses laboratóriumából (HLD) elmondta: „Elvileg a mágnesek is kvantumanyagnak tekinthetők; végül is a mágnesesség az anyagban lévő elektronok belső spinjén alapszik. Bizonyos szempontból ezek a pörgetések folyadékként viselkedhetnek.”
„Ahogy a hőmérséklet csökken, ezek a rendezetlen pörgetések megfagyhatnak, hasonlóan ahhoz, ahogy a víz jéggé fagy.”
„Például bizonyos fajta mágnesek, az úgynevezett ferromágnesek „fagyáspontjuk”, pontosabban rendelési pontjuk felett nem mágnesesek. Csak ha ez alá süllyednek, akkor válhatnak állandó mágnessé.”
Ebben a tanulmányban a tudósok egy olyan kvantumállapotot próbáltak felfedezni, amelyben a spinekhez kapcsolódó atomi elrendezés még ultrahideg hőmérsékleten sem rendezett – hasonlóan ahhoz a folyadékhoz, amely még extrém hidegben sem szilárdul meg.
Ennek az állapotnak az eléréséhez a kutatócsoport egy egyedülálló anyagot, prazeodímium, cirkónium és oxigén keverékét használta. Úgy gondolták, hogy az anyag kristályrácsának jellemzői lehetővé teszik, hogy az elektron spinek egyedi kölcsönhatásba lépjenek az atomok körüli pályáikkal.
Prof. Satoru Nakatsuji, a Tokiói Egyetemről elmondta: „Az előfeltétel azonban az volt, hogy rendkívüli tisztaságú és minőségű kristályok legyenek. Több próbálkozásra is szükség volt, de végül a csapatnak sikerült kellően tiszta kristályokat előállítania a kísérlethez: egy kriosztátban, egyfajta szupertermosz lombikban a szakértők fokozatosan 20 millikelvinre hűtötték le a mintát – ez csak a fok ötvenedik része. abszolút nulla felett. Hogy megtudja, hogyan reagált a minta erre a hűtési folyamatra és a belsejében mágneses mező, megmérték, mennyit változott a hossza. Egy másik kísérletben a csoport feljegyezte, hogyan reagál a kristály a rajta keresztül közvetlenül átküldött ultrahanghullámokra.
Dr. Szergej Zserlicin, a HLD ultrahangvizsgálati szakértője leírja, „Ha a pörgetéseket elrendelték volna, annak hirtelen változást kellett volna okoznia a kristály viselkedésében, például hirtelen hosszváltozást. Mégis, mint láttuk, nem történt semmi! Nem volt hirtelen változás sem a hosszban, sem a válaszában ultrahang hullámok. "
„A spinek és a pályák kifejezett kölcsönhatása megakadályozta a rendeződést, ezért az atomok folyékony kvantumállapotukban maradtak – ez volt az első alkalom, amikor ilyen kvantumállapotot figyeltek meg. A mágneses terekben végzett további vizsgálatok megerősítették ezt a feltételezést."
Jochen Wosnitza spekulál, „Egy napon ennek az alapkutatási eredménynek gyakorlati vonatkozásai is lehetnek: valamikor képesek leszünk felhasználni az új kvantumállapotot fogékony kvantumérzékelők kifejlesztésére. Ehhez azonban még ki kell találnunk, hogyan lehet szisztematikusan gerjesztést generálni ebben az állapotban. A kvantumérzékelés a jövő ígéretes technológiájának számít. Mivel kvantumtermészetük miatt rendkívül érzékenyek a külső ingerekre, a kvantumérzékelők sokkal pontosabban képesek mágneses mezőket vagy hőmérsékleteket regisztrálni, mint a hagyományos érzékelők.
Journal Reference:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin–orbitális folyadék állapot és folyadék–gáz metamágneses átmenet piroklórrácson. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
