Một nhóm nghiên cứu quốc tế - bao gồm cả Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- đã phát hiện ra một trạng thái lượng tử có thể được mô tả theo cách này. Các nhà khoa học đã làm mát một loại vật liệu đặc biệt đến nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. Họ phát hiện ra rằng một tính chất trung tâm của các nguyên tử – sự liên kết của chúng – không “đông cứng” như bình thường mà vẫn ở trạng thái “lỏng”.
Trong thời hạn vật liệu lượng tử, các electron tương tác với cường độ khác thường, cả với nhau và với các nguyên tử của mạng tinh thể. Mối liên hệ chặt chẽ này tạo ra các hiệu ứng lượng tử mạnh tác động đến cấp độ vi mô và vĩ mô. Những hiện tượng này mang lại cho vật liệu lượng tử những phẩm chất phi thường. Ví dụ, ở nhiệt độ thấp, chúng có thể mang điện một cách dễ dàng. Thông thường, ngay cả những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, áp suất hoặc điện áp cũng đủ để thay đổi đáng kể hành vi của vật liệu.
Giáo sư Jochen Wosnitza từ Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Dresden (HLD) tại HZDR cho biết: “Về nguyên tắc, nam châm cũng có thể được coi là vật liệu lượng tử; xét cho cùng, từ tính dựa trên Spin nội tại của các electron trong vật liệu. Theo một số cách, những vòng quay này có thể hoạt động giống như một chất lỏng.”
“Khi nhiệt độ giảm xuống, những vòng quay rối loạn này có thể đóng băng, giống như nước đóng băng thành băng vậy.”
“Ví dụ, một số loại nam châm, cái gọi là sắt từ, không có từ tính trên điểm "đóng băng" hay chính xác hơn là điểm sắp xếp của chúng. Chỉ khi rơi xuống dưới mức đó, chúng mới có thể trở thành nam châm vĩnh cửu.”
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã tìm cách khám phá một trạng thái lượng tử trong đó sự sắp xếp nguyên tử liên quan đến các spin không theo trật tự, ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh – tương tự như chất lỏng sẽ không đông đặc, ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh.
Để đạt được trạng thái này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một chất độc đáo, hỗn hợp của praseodymium, zirconi và oxy. Họ tin rằng các đặc điểm của mạng tinh thể trong vật liệu này sẽ cho phép các spin của electron tương tác độc nhất với các quỹ đạo của chúng xung quanh các nguyên tử.
Giáo sư Satoru Nakatsuji của Đại học Tokyo cho biết, “Tuy nhiên, điều kiện tiên quyết là phải có tinh thể cực kỳ tinh khiết và chất lượng. Phải mất nhiều nỗ lực, nhưng cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra các tinh thể đủ tinh khiết cho thí nghiệm của họ: Trong một thiết bị làm lạnh, một loại bình siêu giữ nhiệt, các chuyên gia đã dần dần làm lạnh mẫu của họ xuống 20 millikelvin – chỉ bằng một phần năm mươi độ. trên độ không tuyệt đối. Để xem cách mẫu phản ứng với quá trình làm mát này và bên trong từ trường, họ đã đo xem nó thay đổi bao nhiêu về chiều dài. Trong một thí nghiệm khác, nhóm đã ghi lại cách tinh thể phản ứng với sóng siêu âm được truyền trực tiếp qua nó.”
Tiến sĩ Sergei Zherlitsyn, chuyên gia điều tra siêu âm của HLD, mô tả, “Nếu các vòng quay đã được sắp xếp, nó sẽ gây ra một sự thay đổi đột ngột trong hành vi của tinh thể, chẳng hạn như sự thay đổi đột ngột về chiều dài. Tuy nhiên, như chúng tôi đã quan sát, không có gì xảy ra! Không có thay đổi đột ngột về độ dài hoặc phản ứng của nó đối với sóng siêu âm".
“Tương tác rõ rệt của spin và quỹ đạo đã ngăn cản trật tự, đó là lý do tại sao các nguyên tử vẫn ở trạng thái lượng tử lỏng – lần đầu tiên một trạng thái lượng tử như vậy được quan sát thấy. Các nghiên cứu sâu hơn về từ trường đã xác nhận giả định này.”
Jochen Wosnitza suy đoán, “Kết quả nghiên cứu cơ bản này một ngày nào đó cũng có thể có ý nghĩa thực tiễn: Tại một thời điểm nào đó, chúng ta có thể sử dụng trạng thái lượng tử mới để phát triển các cảm biến lượng tử nhạy cảm. Tuy nhiên, để làm được điều này, chúng ta vẫn phải tìm ra cách tạo ra các kích thích ở trạng thái này một cách có hệ thống. Cảm biến lượng tử được coi là công nghệ hứa hẹn của tương lai. Vì bản chất lượng tử của chúng khiến chúng cực kỳ nhạy cảm với các kích thích bên ngoài, cảm biến lượng tử có thể ghi lại từ trường hoặc nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với cảm biến thông thường.”
Tạp chí tham khảo:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Spin–quỹ đạo trạng thái lỏng và quá trình chuyển tiếp siêu từ lỏng–khí trên một mạng tinh thể pyrochlore. tự nhiên phòS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
