En internationell forskargrupp, inklusive Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- har upptäckt ett kvanttillstånd som skulle kunna beskrivas på detta sätt. Forskare lyckades kyla ett speciellt material till nära absolut nolltemperatur. De fann att en central egenskap hos atomer – deras inriktning – inte "fryste" som vanligt, utan förblev i ett "flytande" tillstånd.
Inom kvantmaterial, interagerar elektronerna med ovanlig intensitet, både med varandra och med kristallgittrets atomer. Denna nära koppling producerar potenta kvanteffekter som påverkar mikroskopiska och makroskopiska nivåer. Dessa fenomen ger kvantmaterial extraordinära egenskaper. Till exempel, vid låga temperaturer, kan de bära elektricitet förlustfritt. Ofta är även små variationer i temperatur, tryck eller elektrisk spänning tillräckliga för att väsentligt förändra ett materials beteende.
Prof. Jochen Wosnitza från Dresden High Field Magnetic Laboratory (HLD) vid HZDR sa, ”I princip kan magneter också betraktas som kvantmaterial; trots allt är magnetism baserad på den inneboende spinn av elektronerna i materialet. På vissa sätt kan dessa snurr bete sig som en vätska."
"När temperaturen sjunker kan dessa oordnade snurrar frysa, ungefär som vatten fryser till is."
”Till exempel vissa typer av magneter, så kallade ferromagneter, är icke-magnetiska över deras "fryspunkt", eller mer exakt, beställningspunkt. Först när de faller under den kan de bli permanentmagneter."
I den här studien försökte forskare upptäcka ett kvanttillstånd där den atomära inriktningen i samband med snurrarna inte ordnade, ens vid ultrakalla temperaturer - liknande en vätska som inte kommer att stelna, även i extrem kyla.
För att nå detta tillstånd använde forskargruppen ett unikt ämne, en blandning av praseodym, zirkonium och syre. De trodde att egenskaperna hos kristallgittret i detta material skulle tillåta elektronsnurrarna att interagera unikt med sina orbitaler runt atomerna.
Prof. Satoru Nakatsuji vid University of Tokyo sa, ”Förutsättningen var dock att ha kristaller av extrem renhet och kvalitet. Det tog flera försök, men så småningom kunde teamet producera kristaller rena nog för deras experiment: I en kryostat, en sorts supertermoskolv, kylde experterna gradvis ner sitt prov till 20 millikelvin – bara en femtiodels grad över den absoluta nollpunkten. För att se hur provet reagerade på denna kylningsprocess och inuti Magnetfältet, de mätte hur mycket den förändrades i längd. I ett annat experiment spelade gruppen in hur kristallen reagerade på att ultraljudsvågor skickades direkt genom den."
Dr Sergei Zherlitsyn, HLD:s expert på ultraljudsundersökningar, beskriver, "Hade snurren beställts borde det ha orsakat en plötslig förändring i kristallens beteende, till exempel en plötslig förändring i längden. Men som vi observerade hände ingenting! Det fanns inga plötsliga förändringar i varken längd eller dess reaktion på ultraljudsvågor. "
"Det uttalade samspelet mellan spinn och orbitaler hade förhindrat ordning, vilket är anledningen till att atomerna förblev i sitt flytande kvanttillstånd – första gången ett sådant kvanttillstånd observerades. Ytterligare undersökningar av magnetfält bekräftade detta antagande."
Jochen Wosnitza spekulerar, "Det här grundforskningsresultatet kan också få praktiska konsekvenser en dag: Vid något tillfälle kan vi kanske använda det nya kvanttillståndet för att utveckla känsliga kvantsensorer. För att göra detta måste vi dock fortfarande ta reda på hur vi systematiskt kan generera excitationer i detta tillstånd. Kvantavkänning anses vara en lovande teknik för framtiden. Eftersom deras kvantnatur gör dem extremt känsliga för yttre stimuli, kan kvantsensorer registrera magnetfält eller temperaturer med mycket större precision än konventionella sensorer.”
Tidskriftsreferens:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin-orbital flytande tillstånd och vätska-gas metamagnetisk övergång på ett pyroklorgitter. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
