Uluslararası bir araştırma ekibi - dahil Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- bu şekilde tanımlanabilecek bir kuantum durumu keşfetti. Bilim insanları özel bir malzemeyi neredeyse mutlak sıfır sıcaklığa kadar soğutmayı başardılar. Atomların temel özelliği olan hizalanmalarının her zamanki gibi "donmadığını", aksine "sıvı" durumda kaldığını buldular.
Içinde kuantum malzemelerElektronlar hem birbirleriyle hem de kristal kafesin atomlarıyla olağandışı yoğunlukta etkileşime girer. Bu yakın bağlantı, mikroskobik ve makroskobik seviyeleri etkileyen güçlü kuantum etkileri üretir. Bu olgular kuantum malzemelerine olağanüstü nitelikler kazandırır. Örneğin düşük sıcaklıklarda elektriği kayıpsız olarak taşıyabilirler. Çoğunlukla sıcaklık, basınç veya elektrik voltajındaki küçük değişiklikler bile bir malzemenin davranışını önemli ölçüde değiştirmek için yeterlidir.
HZDR'deki Dresden Yüksek Alan Manyetik Laboratuvarı'ndan (HLD) Prof. Jochen Wosnitza şunları söyledi: “Prensip olarak mıknatıslar kuantum malzemeleri olarak da kabul edilebilir; sonuçta manyetizma, malzemedeki elektronların içsel Spinine dayanır. Bazı açılardan bu dönüşler bir sıvı gibi davranabiliyor.”
"Sıcaklıklar düştükçe, bu düzensiz dönüşler donabilir, tıpkı suyun donarak buza dönüşmesi gibi."
“Örneğin bazı türler mıknatıslarFerromıknatıslar olarak adlandırılanlar, "donma" veya daha kesin olarak düzenlenme noktalarının üzerinde manyetik değildirler. Ancak bu seviyenin altına düştüklerinde kalıcı mıknatıs haline gelebilirler.”
Bu çalışmada bilim adamları, aşırı soğukta bile katılaşmayan bir sıvıya benzer şekilde, aşırı soğuk sıcaklıklarda bile dönüşlerle ilişkili atomik hizalanmanın düzenlenmediği bir kuantum durumunu keşfetmeye çalıştılar.
Bu duruma ulaşmak için araştırma ekibi benzersiz bir madde olan praseodim, zirkonyum ve oksijen karışımını kullandı. Bu malzemedeki kristal kafesin özelliklerinin, elektron dönüşlerinin atomların etrafındaki yörüngelerle benzersiz bir şekilde etkileşime girmesine izin vereceğine inanıyorlardı.
Tokyo Üniversitesi'nden Prof. Satoru Nakatsuji şunları söyledi: "Ancak önkoşul, son derece saf ve kaliteli kristallere sahip olmaktı. Birkaç deneme gerekti, ancak sonunda ekip, deneyleri için yeterince saf kristaller üretmeyi başardı: Bir tür süper termos şişesi olan bir kriyostatta, uzmanlar numunelerini yavaş yavaş 20 millikelvin'e (derecenin sadece ellide biri) kadar soğuttular. mutlak sıfırın üstünde. Numunenin bu soğutma işlemine nasıl tepki verdiğini görmek için manyetik alanuzunluğunun ne kadar değiştiğini ölçtüler. Başka bir deneyde grup, kristalin doğrudan içinden gönderilen ultrason dalgalarına nasıl tepki verdiğini kaydetti."
HLD'nin ultrason araştırmaları uzmanı Dr. Sergei Zherlitsyn şöyle açıklıyor: "Döndürmeler emredilmiş olsaydı, kristalin davranışında ani bir uzunluk değişikliği gibi ani bir değişikliğe neden olması gerekirdi. Ancak gözlemlediğimiz gibi hiçbir şey olmadı! Ne uzunlukta ne de tepkisinde ani bir değişiklik olmadı. ultrason dalgaları".
"Döndürmeler ve yörüngelerin belirgin etkileşimi sıralamayı engellemişti, bu yüzden atomlar sıvı kuantum halinde kaldılar; böyle bir kuantum durumu ilk kez gözlemlendi. Manyetik alanlardaki daha ileri araştırmalar bu varsayımı doğruladı.”
Jochen Wosnitza spekülasyon, "Bu temel araştırma sonucunun bir gün pratik sonuçları da olabilir: Bir noktada, duyarlı kuantum sensörleri geliştirmek için yeni kuantum durumunu kullanabiliriz. Ancak bunu yapabilmek için hala bu durumda sistematik olarak uyarıların nasıl oluşturulacağını bulmamız gerekiyor. Kuantum algılama geleceğin umut verici teknolojisi olarak değerlendiriliyor. Kuantum doğaları onları dış uyaranlara karşı son derece duyarlı hale getirdiğinden, kuantum sensörleri manyetik alanları veya sıcaklıkları geleneksel sensörlerden çok daha yüksek bir hassasiyetle kaydedebilir."
Dergi Referans:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. ve diğerleri. Bir piroklor kafes üzerinde spin-yörünge sıvı durumu ve sıvı-gaz metamanyetik geçişi. Nat. PhyS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
