Et internasjonalt forskerteam - inkludert Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- har oppdaget en kvantetilstand som kan beskrives på denne måten. Forskere klarte å avkjøle et spesielt materiale til nær absolutt null temperatur. De fant at en sentral egenskap ved atomer – deres justering – ikke "fryste", som vanlig, men forble i en "flytende" tilstand.
Innen kvantematerialer, samhandler elektronene med uvanlig intensitet, både med hverandre og atomene i krystallgitteret. Denne nære forbindelsen produserer kraftige kvanteeffekter som påvirker mikroskopiske og makroskopiske nivåer. Disse fenomenene gir kvantematerialer ekstraordinære kvaliteter. For eksempel, ved lave temperaturer, kan de frakte strøm tapsfritt. Ofte er selv små variasjoner i temperatur, trykk eller elektrisk spenning tilstrekkelig til å endre et materiales oppførsel betydelig.
Prof. Jochen Wosnitza fra Dresden High Field Magnetic Laboratory (HLD) ved HZDR sa, «I prinsippet kan magneter også betraktes som kvantematerialer; magnetisme er tross alt basert på det iboende spinn av elektronene i materialet. På noen måter kan disse spinnene oppføre seg som en væske.»
"Når temperaturene synker, kan disse uordnede spinnene fryse, omtrent som vann fryser til is."
«For eksempel visse typer magneter, såkalte ferromagneter, er ikke-magnetiske over deres "frysepunkt", eller mer presist, bestillingspunktet. Først når de faller under det, kan de bli permanente magneter.»
I denne studien søkte forskere å oppdage en kvantetilstand der atomjusteringen knyttet til spinnene ikke ordnet seg, selv ved ultrakalde temperaturer - lik en væske som ikke vil stivne, selv i ekstrem kulde.
For å nå denne tilstanden brukte forskerteamet et unikt stoff, en blanding av praseodym, zirkonium og oksygen. De trodde at egenskapene til krystallgitteret i dette materialet ville tillate elektronspinnene å samhandle unikt med deres orbitaler rundt atomene.
Prof. Satoru Nakatsuji ved University of Tokyo sa: «Forutsetningen var imidlertid å ha krystaller av ekstrem renhet og kvalitet. Det tok flere forsøk, men til slutt klarte teamet å produsere krystaller som var rene nok for eksperimentet deres: I en kryostat, en slags supertermoskolbe, kjølte ekspertene gradvis ned prøven ned til 20 millikelvin – bare en femtidels grad over absolutt null. For å se hvordan prøven reagerte på denne kjøleprosessen og inne i magnetfelt, de målte hvor mye den endret seg i lengde. I et annet eksperiment registrerte gruppen hvordan krystallen reagerte på ultralydbølger som ble sendt direkte gjennom den.»
Dr. Sergei Zherlitsyn, HLDs ekspert på ultralydundersøkelser, beskriver, «Hadde spinnene blitt bestilt, burde det ha forårsaket en brå endring i oppførselen til krystallen, for eksempel en plutselig endring i lengden. Men, som vi observerte, skjedde ingenting! Det var ingen plutselige endringer i verken lengde eller respons på ultralydbølger».
«Det uttalte samspillet mellom spinn og orbitaler hadde forhindret orden, og det er grunnen til at atomene forble i flytende kvantetilstand – første gang en slik kvantetilstand ble observert. Ytterligere undersøkelser av magnetiske felt bekreftet denne antagelsen.»
Jochen Wosnitza spekulerer, "Dette grunnleggende forskningsresultatet kan også ha praktiske implikasjoner en dag: På et tidspunkt kan vi kanskje bruke den nye kvantetilstanden til å utvikle mottakelige kvantesensorer. For å gjøre dette, må vi imidlertid fortsatt finne ut hvordan vi kan generere eksitasjoner i denne tilstanden systematisk. Kvantesansing regnes som en lovende teknologi for fremtiden. Fordi deres kvantenatur gjør dem ekstremt følsomme for ytre stimuli, kan kvantesensorer registrere magnetiske felt eller temperaturer med langt større presisjon enn konvensjonelle sensorer.»
Tidsreferanse:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin-orbital flytende tilstand og væske-gass metamagnetisk overgang på et pyroklorgitter. Nat. Phys. (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41567-022-01816-4
