O echipă internațională de cercetare, inclusiv Helmholtz-Zentrum Dresda-Rossendorf (HZDR)- a descoperit o stare cuantică care ar putea fi descrisă în acest fel. Oamenii de știință au reușit să răcească un material special la o temperatură aproape de zero absolut. Ei au descoperit că o proprietate centrală a atomilor - alinierea lor - nu a „înghețat”, ca de obicei, ci a rămas într-o stare „lichidă”.
În materiale cuantice, electronii interacționează cu o intensitate neobișnuită, atât între ei, cât și cu atomii rețelei cristaline. Această legătură strânsă produce efecte cuantice puternice care influențează nivelurile microscopice și macroscopice. Aceste fenomene conferă materialelor cuantice calități extraordinare. De exemplu, la temperaturi scăzute, pot transporta electricitate fără pierderi. Frecvent, chiar și mici variații de temperatură, presiune sau tensiune electrică sunt suficiente pentru a modifica semnificativ comportamentul unui material.
Prof. Jochen Wosnitza de la Laboratorul Magnetic de Câmp Înalt Dresda (HLD) de la HZDR a spus: „În principiu, magneții pot fi considerați și materiale cuantice; la urma urmei, magnetismul se bazează pe spinul intrinsec al electronilor din material. Într-un fel, aceste rotiri se pot comporta ca un lichid.”
„Pe măsură ce temperaturile scad, aceste rotiri dezordonate pot îngheța, la fel cum apa îngheață în gheață.”
„De exemplu, anumite tipuri de magneți, așa-numiții feromagneți, sunt nemagnetici deasupra punctului lor de „îngheț”, sau mai precis, de ordonare. Numai atunci când coboară sub el pot deveni magneți permanenți.”
În acest studiu, oamenii de știință au căutat să descopere o stare cuantică în care alinierea atomică asociată cu spin-urile nu s-a ordonat, chiar și la temperaturi ultrareci - asemănătoare cu un lichid care nu se va solidifica, chiar și la frig extrem.
Pentru a ajunge la această stare, echipa de cercetare a folosit o substanță unică, un amestec de praseodim, zirconiu și oxigen. Ei credeau că caracteristicile rețelei cristaline din acest material ar permite spinurilor electronilor să interacționeze în mod unic cu orbitalii lor din jurul atomilor.
Prof. Satoru Nakatsuji de la Universitatea din Tokyo a spus: „Condiția prealabilă, totuși, era să existe cristale de o puritate și calitate extremă. A fost nevoie de mai multe încercări, dar în cele din urmă, echipa a reușit să producă cristale suficient de pure pentru experimentul lor: într-un criostat, un fel de balon super termos, experții și-au răcit treptat proba până la 20 de milikelvin - doar o cincizecime de grad. peste zero absolut. Pentru a vedea cum a răspuns proba la acest proces de răcire și în interiorul câmp magnetic, au măsurat cât de mult s-a schimbat în lungime. Într-un alt experiment, grupul a înregistrat modul în care cristalul a reacționat la undele ultrasunete trimise direct prin el.”
Dr. Sergei Zherlitsyn, expert HLD în investigații cu ultrasunete, descrie: „Dacă învârtirile ar fi fost comandate, ar fi trebuit să provoace o schimbare bruscă a comportamentului cristalului, cum ar fi o schimbare bruscă a lungimii. Totuși, așa cum am observat, nu s-a întâmplat nimic! Nu au existat modificări bruște nici în lungime, nici în răspunsul său la unde ultrasunete. "
„Interacțiunea pronunțată a spinilor și orbitalilor a împiedicat ordonarea, motiv pentru care atomii au rămas în starea lor cuantică lichidă – prima dată când a fost observată o astfel de stare cuantică. Investigațiile ulterioare în câmpurile magnetice au confirmat această presupunere.”
Jochen Wosnitza speculează, „Acest rezultat al cercetării de bază ar putea avea și implicații practice într-o zi: la un moment dat, s-ar putea să putem folosi noua stare cuantică pentru a dezvolta senzori cuantici susceptibili. Pentru a face acest lucru, totuși, trebuie încă să ne dăm seama cum să generăm excitații în această stare în mod sistematic. Detecția cuantică este considerată o tehnologie promițătoare a viitorului. Deoarece natura lor cuantică îi face extrem de sensibili la stimuli externi, senzorii cuantici pot înregistra câmpuri magnetice sau temperaturi cu o precizie mult mai mare decât senzorii convenționali.”
Referința jurnalului:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. și colab. Stare lichidă spin-orbitală și tranziție metamagnetică lichid-gaz pe o rețea de piroclor. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
