Міжнародна дослідницька група, включаючи Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) - виявив квантовий стан, який можна описати таким чином. Вченим вдалося охолодити спеціальний матеріал майже до абсолютного нуля. Вони виявили, що головна властивість атомів – їх розташування – не «замерзає», як зазвичай, а залишається в «рідкому» стані.
В квантові матеріали, електрони взаємодіють з незвичайною інтенсивністю як між собою, так і з атомами кристалічної решітки. Цей тісний зв’язок створює потужні квантові ефекти, які впливають на мікроскопічні та макроскопічні рівні. Ці явища надають квантовим матеріалам надзвичайних якостей. Наприклад, за низьких температур вони можуть переносити електроенергію без втрат. Часто навіть невеликих коливань температури, тиску чи електричної напруги достатньо, щоб суттєво змінити поведінку матеріалу.
Професор Йохен Возніца з Дрезденської лабораторії магнітного поля (HLD) HZDR сказав: «В принципі, магніти також можна розглядати як квантові матеріали; зрештою, магнетизм базується на внутрішньому спіні електронів у матеріалі. У певному сенсі ці оберти можуть поводитися як рідина».
«Зі зниженням температури ці невпорядковані оберти можуть замерзати, подібно до того, як вода замерзає в лід».
«Наприклад, певні види магніти, так звані феромагнетики, є немагнітними вище їх «замерзання», точніше, точки впорядкування. Тільки коли вони опускаються нижче, вони можуть стати постійними магнітами».
У цьому дослідженні вчені прагнули виявити квантовий стан, в якому атомне вирівнювання, пов’язане зі спінами, не впорядковане навіть при ультранизьких температурах – подібно до рідини, яка не твердне навіть при сильному холоді.
Щоб досягти цього стану, дослідницька група використовувала унікальну речовину, суміш празеодиму, цирконію та кисню. Вони вважали, що характеристики кристалічної решітки в цьому матеріалі дозволять спінам електронів унікально взаємодіяти зі своїми орбіталями навколо атомів.
Професор Сатору Накацудзі з Токійського університету сказав: «Однак необхідною умовою було мати кристали надзвичайної чистоти та якості. Знадобилося кілька спроб, але зрештою команда змогла виготовити достатньо чисті кристали для свого експерименту: у кріостаті, щось на кшталт супертермосу, експерти поступово охолоджували свій зразок до 20 мілікельвінів – всього одна п’ятдесята градуса. вище абсолютного нуля. Щоб побачити, як зразок відреагував на цей процес охолодження та всередині магнітне поле, вони виміряли, наскільки він змінився в довжину. В іншому експерименті група записала, як кристал реагує на ультразвукові хвилі, які безпосередньо надходять через нього».
Доктор Сергій Жерліцин, експерт HLD з ультразвукових досліджень, описує, «Якби оберти були замовлені, це мало б спричинити різку зміну в поведінці кристала, наприклад, раптову зміну довжини. Але, як ми помітили, нічого не сталося! Не було раптових змін ні в довжині, ні в її реакції ультразвукові хвилі».
«Виражена взаємодія спінів і орбіталей перешкоджала впорядкуванню, тому атоми залишалися в своєму рідкому квантовому стані — вперше такий квантовий стан спостерігався. Подальші дослідження магнітних полів підтвердили це припущення».
Йохен Восніца спекулює, «Цей базовий результат дослідження одного дня може також мати практичні наслідки: у якийсь момент ми зможемо використовувати новий квантовий стан для розробки сприйнятливих квантових датчиків. Однак для цього нам все ще потрібно з’ясувати, як систематично генерувати збудження в цьому стані. Квантовий сенсор вважається перспективною технологією майбутнього. Оскільки їхня квантова природа робить їх надзвичайно чутливими до зовнішніх подразників, квантові датчики можуть реєструвати магнітні поля або температуру з набагато більшою точністю, ніж звичайні датчики».
Довідка з журналу:
- Тан Н., Гриценко Ю., Кімура К. та ін. Спін-орбітальний рідкий стан і метамагнітний перехід рідина-газ на ґратці пірохлору. Нац. Phyс. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
