צוות מחקר בינלאומי - כולל את הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף (HZDR)- גילתה מצב קוונטי שניתן לתאר בצורה זו. מדענים הצליחו לקרר חומר מיוחד לטמפרטורת אפס מוחלטת. הם גילו שתכונה מרכזית של אטומים - היישור שלהם - לא "קפאה", כרגיל, אלא נשארה במצב "נוזלי".
בתוך חומרים קוונטיים, האלקטרונים מקיימים אינטראקציה בעוצמה בלתי רגילה, גם זה עם זה וגם עם האטומים של סריג הגביש. הקשר ההדוק הזה מייצר השפעות קוונטיות חזקות המשפיעות על רמות מיקרוסקופיות ומקרוסקופיות. תופעות אלו מעניקות לחומרים קוונטיים איכויות יוצאות דופן. לדוגמה, בטמפרטורות נמוכות, הם יכולים לשאת חשמל ללא הפסדים. לעתים קרובות, אפילו שינויים קטנים בטמפרטורה, בלחץ או במתח חשמלי מספיקים כדי לשנות באופן משמעותי את התנהגות החומר.
פרופ' יוכן וסניצה מהמעבדה המגנטית של דרזדן (HLD) ב-HZDR אמר: "באופן עקרוני, ניתן להתייחס למגנטים גם כחומרים קוונטיים; אחרי הכל, מגנטיות מבוססת על הספין הפנימי של האלקטרונים בחומר. במובנים מסוימים, הספינים האלה יכולים להתנהג כמו נוזל."
"כשהטמפרטורות יורדות, הספינים המעורערים האלה יכולים לקפוא, בדומה למים שקפאים לקרח."
"למשל, סוגים מסוימים של מגנטים, מה שנקרא פרומגנטים, אינם מגנטיים מעל לנקודת "הקפאה", או ליתר דיוק, לנקודת ההזמנה שלהם. רק כשהם יורדים מתחתיו הם יכולים להפוך למגנטים קבועים".
במחקר זה ביקשו מדענים לגלות מצב קוונטי שבו היישור האטומי הקשור לספינים לא הסתדר, אפילו בטמפרטורות אולטרה-קרות - בדומה לנוזל שלא יתמצק, אפילו בקור קיצוני.
כדי להגיע למצב זה, צוות המחקר השתמש בחומר ייחודי, תערובת של פרסאודימיום, זירקוניום וחמצן. הם האמינו שהמאפיינים של סריג הגביש בחומר זה יאפשרו לספינים האלקטרונים לקיים אינטראקציה ייחודית עם האורביטלים שלהם סביב האטומים.
פרופ' סאטורו נקאצוג'י מאוניברסיטת טוקיו אמר: "עם זאת, התנאי המקדים היה לקבל קריסטלים של טוהר ואיכות קיצוניים. נדרשו מספר ניסיונות, אבל בסופו של דבר, הצוות הצליח לייצר גבישים טהורים מספיק עבור הניסוי שלהם: בקריוסטט, מעין בקבוק סופר תרמוס, המומחים קיררו את הדגימה שלהם בהדרגה עד ל-20 מילקלווין - רק חמישית המעלה מעל האפס המוחלט. כדי לראות כיצד הגיבה המדגם לתהליך הקירור הזה ובפנים השדה המגנטי, הם מדדו כמה הוא השתנה באורך. בניסוי אחר, הקבוצה תיעדה כיצד הגביש הגיב לגלי אולטרסאונד שנשלחו ישירות דרכו".
ד"ר סרגיי ז'רליצין, המומחה של HLD לחקירות אולטרסאונד, מתאר, "אם הספינים הוזמנו, זה היה צריך לגרום לשינוי פתאומי בהתנהגות הקריסטל, כמו שינוי פתאומי באורך. עם זאת, כפי שראינו, שום דבר לא קרה! לא היו שינויים פתאומיים לא באורך או בתגובתו גלי אולטרסאונד".
"המשחק המובהק של ספינים ואורביטלים מנע סדר, וזו הסיבה שהאטומים נשארו במצב הקוונטי הנוזלי שלהם - בפעם הראשונה שמצב קוונטי כזה נצפה. חקירות נוספות בשדות מגנטיים אישרו את ההנחה הזו".
יוכן וסניצה ספקולציות, "לתוצאת המחקר הבסיסית הזו יכולות להיות גם השלכות מעשיות יום אחד: בשלב מסוים, אולי נוכל להשתמש במצב הקוונטי החדש כדי לפתח חיישנים קוונטיים רגישים. עם זאת, כדי לעשות זאת, אנחנו עדיין צריכים להבין כיצד ליצור ריגושים במצב זה באופן שיטתי. חישה קוונטית נחשבת לטכנולוגיה מבטיחה של העתיד. מכיוון שהטבע הקוונטי שלהם הופך אותם לרגישים ביותר לגירויים חיצוניים, חיישנים קוונטיים יכולים לרשום שדות מגנטיים או טמפרטורות בדיוק רב יותר מאשר חיישנים קונבנציונליים."
עיון ביומן:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. ספין-מצב נוזלי מסלולי ומעבר מטא-מגנטי של נוזל-גז על סריג פירוכלור. נאט. Phyס. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
