Een internationaal onderzoeksteam, waaronder de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) – heeft een kwantumtoestand ontdekt die op deze manier kan worden beschreven. Wetenschappers zijn erin geslaagd een speciaal materiaal af te koelen tot bijna het absolute nulpunt. Ze ontdekten dat een centrale eigenschap van atomen – hun uitlijning – niet zoals gewoonlijk ‘bevroor’, maar in een ‘vloeibare’ toestand bleef.
Binnen kwantummaterialen, de elektronen interageren met ongebruikelijke intensiteit, zowel met elkaar als met de atomen van het kristalrooster. Deze nauwe verbinding produceert krachtige kwantumeffecten die van invloed zijn op microscopische en macroscopische niveaus. Deze verschijnselen geven kwantummaterialen buitengewone kwaliteiten. Bij lage temperaturen kunnen ze bijvoorbeeld verliesloos elektriciteit transporteren. Vaak zijn zelfs kleine variaties in temperatuur, druk of elektrische spanning voldoende om het gedrag van een materiaal aanzienlijk te veranderen.
Prof. Jochen Wosnitza van het Dresden High Field Magnetic Laboratory (HLD) bij HZDR zei: “In principe kunnen magneten ook als kwantummaterialen worden beschouwd; magnetisme is immers gebaseerd op de intrinsieke spin van de elektronen in het materiaal. In sommige opzichten kunnen deze spins zich gedragen als een vloeistof.”
“Als de temperatuur daalt, kunnen deze wanordelijke spins bevriezen, net zoals water in ijs bevriest.”
“Bijvoorbeeld bepaalde soorten magneten, zogenaamde ferromagneten, zijn niet-magnetisch boven hun ‘bevriezingspunt’, of beter gezegd, hun ordeningspunt. Pas als ze eronder vallen, kunnen ze permanente magneten worden.”
In deze studie probeerden wetenschappers een kwantumtoestand te ontdekken waarin de atomaire uitlijning geassocieerd met de spins niet geordend was, zelfs niet bij ultrakoude temperaturen – vergelijkbaar met een vloeistof die niet stolt, zelfs niet bij extreme kou.
Om deze toestand te bereiken gebruikte het onderzoeksteam een unieke stof, een mengsel van praseodymium, zirkonium en zuurstof. Ze geloofden dat de eigenschappen van het kristalrooster in dit materiaal ervoor zouden zorgen dat de elektronenspins op unieke wijze zouden kunnen interageren met hun orbitalen rond de atomen.
Prof. Satoru Nakatsuji van de Universiteit van Tokio zei: “De voorwaarde was echter om kristallen van extreme zuiverheid en kwaliteit te hebben. Het kostte verschillende pogingen, maar uiteindelijk slaagde het team erin kristallen te produceren die zuiver genoeg waren voor hun experiment: in een cryostaat, een soort superthermosfles, koelden de experts hun monster geleidelijk af tot 20 millikelvin – slechts een vijftigste van een graad. boven het absolute nulpunt. Om te zien hoe het monster reageerde op dit koelproces en in de magnetisch veld, maten ze hoeveel het in lengte veranderde. In een ander experiment registreerde de groep hoe het kristal reageerde op ultrasone golven die er rechtstreeks doorheen werden gestuurd.’
Dr. Sergei Zherlitsyn, HLD’s expert op het gebied van echografieonderzoek, beschrijft: “Als de spins waren besteld, had dit een abrupte verandering in het gedrag van het kristal moeten veroorzaken, zoals een plotselinge lengteverandering. Toch gebeurde er, zoals we zagen, niets! Er waren geen plotselinge veranderingen in de lengte of de reactie daarop ultrasone golven. '
“Het uitgesproken samenspel van spins en orbitalen had ordening verhinderd, en daarom bleven de atomen in hun vloeibare kwantumtoestand – de eerste keer dat een dergelijke kwantumtoestand werd waargenomen. Verder onderzoek naar magnetische velden bevestigde deze veronderstelling.”
Jochen Wosnitza speculeert, “Dit fundamentele onderzoeksresultaat zou op een dag ook praktische implicaties kunnen hebben: op een gegeven moment zouden we de nieuwe kwantumtoestand kunnen gebruiken om gevoelige kwantumsensoren te ontwikkelen. Om dit te doen moeten we echter nog uitzoeken hoe we in deze toestand systematisch excitaties kunnen genereren. Kwantumdetectie wordt beschouwd als een veelbelovende technologie van de toekomst. Omdat ze door hun kwantumkarakter extreem gevoelig zijn voor externe prikkels, kunnen kwantumsensoren magnetische velden of temperaturen met veel grotere nauwkeurigheid registreren dan conventionele sensoren.”
Journal Reference:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin-orbitale vloeibare toestand en metamagnetische overgang tussen vloeistof en gas op een pyrochloorrooster. Nat. PhS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
