Międzynarodowy zespół badawczy – w skład którego wchodzi m.in Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- odkrył stan kwantowy, który można by opisać w ten sposób. Naukowcom udało się schłodzić specjalny materiał do temperatury bliskiej zera absolutnego. Odkryli, że główna właściwość atomów – ich ustawienie – nie „zamarza” jak zwykle, ale pozostaje w stanie „płynnym”.
W ciągu materiały kwantowe, elektrony oddziałują z niezwykłą intensywnością, zarówno między sobą, jak i atomami sieci krystalicznej. To bliskie połączenie wytwarza silne efekty kwantowe, które wpływają na poziomy mikroskopowe i makroskopowe. Zjawiska te nadają materiałom kwantowym niezwykłe właściwości. Na przykład w niskich temperaturach mogą bezstratnie przenosić prąd. Często nawet niewielkie zmiany temperatury, ciśnienia lub napięcia elektrycznego wystarczą, aby znacząco zmienić zachowanie materiału.
Profesor Jochen Wosnitza z Drezdeńskiego Laboratorium Magnetycznego Wysokiego Pola (HLD) w HZDR powiedział: „W zasadzie magnesy można również uznać za materiały kwantowe; w końcu magnetyzm opiera się na wewnętrznym spinie elektronów w materiale. W pewnym sensie te spiny mogą zachowywać się jak ciecz.
„Wraz ze spadkiem temperatury te nieuporządkowane wirowania mogą zamarznąć, podobnie jak woda zamarza, zamieniając się w lód”.
„Na przykład niektóre rodzaje magnesy, tak zwane ferromagnesy, są niemagnetyczne powyżej swojego „zamarzania”, a dokładniej punktu uporządkowania. Dopiero gdy spadną poniżej, mogą stać się magnesami trwałymi.
W ramach tego badania naukowcy starali się odkryć stan kwantowy, w którym wyrównanie atomów powiązane ze spinami nie jest uporządkowane, nawet w ultraniskich temperaturach – podobnie jak w przypadku cieczy, która nie zestala się nawet w ekstremalnie niskich temperaturach.
Aby osiągnąć ten stan, zespół badawczy zastosował unikalną substancję – mieszaninę prazeodymu, cyrkonu i tlenu. Wierzyli, że właściwości sieci krystalicznej tego materiału pozwolą spinom elektronów na unikalną interakcję z ich orbitalami wokół atomów.
Profesor Satoru Nakatsuji z Uniwersytetu Tokijskiego powiedział: „Warunkiem wstępnym było jednak posiadanie kryształów o wyjątkowej czystości i jakości. Wymagało to kilku prób, ale w końcu zespołowi udało się wyprodukować kryształy wystarczająco czyste do przeprowadzenia eksperymentu: w kriostacie, czymś w rodzaju super termosu, eksperci stopniowo schładzali próbkę do temperatury 20 milikelwinów, czyli zaledwie jednej pięćdziesiątej stopnia powyżej zera absolutnego. Aby zobaczyć, jak próbka zareagowała na proces chłodzenia i wewnątrz Pole magnetyczne, zmierzyli, jak bardzo zmieniła się długość. W innym eksperymencie grupa zarejestrowała, jak kryształ zareagował na bezpośrednio przepuszczane przez niego fale ultradźwiękowe”.
Dr Sergei Zherlitsyn, ekspert HLD w zakresie badań ultrasonograficznych, opisuje: „Gdyby spiny zostały uporządkowane, spowodowałoby to nagłą zmianę zachowania kryształu, na przykład nagłą zmianę długości. Jednak, jak zauważyliśmy, nic się nie stało! Nie było żadnych nagłych zmian ani w długości, ani w jej reakcji fale ultradźwiękowe".
„Wyraźne wzajemne oddziaływanie spinów i orbitali uniemożliwiło uporządkowanie, dlatego atomy pozostały w swoim ciekłym stanie kwantowym – po raz pierwszy zaobserwowano taki stan kwantowy. Dalsze badania pól magnetycznych potwierdziły to założenie.”
Jochen Wosnitza spekuluje, „Ten podstawowy wynik badania może pewnego dnia mieć również implikacje praktyczne: w pewnym momencie być może będziemy w stanie wykorzystać nowy stan kwantowy do opracowania wrażliwych czujników kwantowych. Aby to jednak zrobić, musimy jeszcze wymyślić, jak systematycznie generować wzbudzenia w tym stanie. Detekcja kwantowa jest uważana za obiecującą technologię przyszłości. Ponieważ ich kwantowa natura czyni je niezwykle wrażliwymi na bodźce zewnętrzne, czujniki kwantowe mogą rejestrować pola magnetyczne lub temperatury ze znacznie większą precyzją niż czujniki konwencjonalne”.
Referencje czasopisma:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. i in. Spinowo-orbitalny stan ciekły i przejście metamagnetyczne ciecz-gaz na siatce pirochloru. Nat. fizS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
