Mednarodna raziskovalna skupina - vključno z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- je odkril kvantno stanje, ki bi ga lahko opisali na ta način. Znanstvenikom je uspelo poseben material ohladiti na temperaturo blizu absolutne ničle. Ugotovili so, da osrednja lastnost atomov - njihova poravnava - ni "zamrznila", kot običajno, ampak je ostala v "tekočem" stanju.
V okviru kvantnih materialov, elektroni medsebojno delujejo z nenavadno intenzivnostjo, tako med seboj kot z atomi kristalne mreže. Ta tesna povezava povzroča močne kvantne učinke, ki vplivajo na mikroskopske in makroskopske ravni. Ti pojavi dajejo kvantnim materialom izjemne lastnosti. Na primer, pri nizkih temperaturah lahko prenašajo elektriko brez izgub. Pogosto so že majhne spremembe v temperaturi, tlaku ali električni napetosti dovolj, da bistveno spremenijo obnašanje materiala.
Prof. Jochen Wosnitza iz Dresden High Field Magnetic Laboratory (HLD) pri HZDR je dejal, »Načeloma lahko tudi magnete obravnavamo kot kvantne materiale; navsezadnje magnetizem temelji na intrinzičnem spinu elektronov v materialu. Na nek način se ti vrtljaji lahko obnašajo kot tekočina."
"Ko se temperature znižajo, lahko ti neurejeni vrtljaji zamrznejo, podobno kot voda zamrzne v led."
»Na primer določene vrste magneti, tako imenovani feromagneti, so nemagnetni nad svojim "zmrziščem", ali natančneje, urejeno točko. Šele ko padejo pod njo, lahko postanejo trajni magneti.«
V tej študiji so znanstveniki skušali odkriti kvantno stanje, v katerem atomska poravnava, povezana z vrtljaji, ni urejena, niti pri ultra nizkih temperaturah – podobno kot tekočina, ki se ne bo strdila niti v ekstremnem mrazu.
Da bi dosegli to stanje, je raziskovalna skupina uporabila edinstveno snov, mešanico prazeodimija, cirkonija in kisika. Verjeli so, da bi značilnosti kristalne mreže v tem materialu omogočile elektronskim vrtljajem edinstveno interakcijo s svojimi orbitalami okoli atomov.
Prof. Satoru Nakatsuji z univerze v Tokiu je dejal, »Predpogoj pa je bil imeti kristale izredne čistosti in kakovosti. Trajalo je več poskusov, toda na koncu je ekipi uspelo izdelati dovolj čiste kristale za svoj poskus: v kriostatu, nekakšni super termos bučki, so strokovnjaki svoj vzorec postopoma ohladili na 20 milikelvinov – le eno petdesetino stopinje. nad absolutno ničlo. Če želite videti, kako se je vzorec odzval na ta postopek hlajenja in znotraj magnetno polje, so izmerili, koliko se je spremenila v dolžino. V drugem poskusu je skupina zabeležila, kako se je kristal odzval na ultrazvočne valove, ki so bili neposredno poslani skozi njega.
Dr. Sergei Zherlitsyn, HLD-jev strokovnjak za ultrazvočne preiskave, opisuje, »Če bi bili vrtljaji naročeni, bi to moralo povzročiti nenadno spremembo v obnašanju kristala, kot je nenadna sprememba dolžine. Vendar se, kot smo opazili, ni zgodilo nič! V dolžini ali odzivu ni bilo nenadnih sprememb ultrazvočni valovi«.
»Izrazito medsebojno delovanje spinov in orbital je preprečilo urejanje, zato so atomi ostali v svojem tekočem kvantnem stanju – prvič smo opazili tako kvantno stanje. Nadaljnje raziskave magnetnih polj so to domnevo potrdile.«
Jochen Wosnitz špekulira, »Ta osnovni rezultat raziskave bi lahko nekega dne imel tudi praktične posledice: na neki točki bomo morda lahko uporabili novo kvantno stanje za razvoj dovzetnih kvantnih senzorjev. Da bi to naredili, pa moramo še vedno ugotoviti, kako sistematično ustvarjati vzbujanja v tem stanju. Kvantno zaznavanje velja za obetavno tehnologijo prihodnosti. Ker so zaradi svoje kvantne narave izjemno občutljivi na zunanje dražljaje, lahko kvantni senzorji registrirajo magnetna polja ali temperature z veliko večjo natančnostjo kot običajni senzorji.«
Referenca dnevnika:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin-orbitalno tekoče stanje in metamagnetni prehod tekočina-plin na piroklorni rešetki. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
