Forskere opdager en ny tilstand: Quantum Spin Liquid

Fysikere på Oak Ridge National Laboratory i Tennessee og University of Cambridge har sammen opdaget en ny tilstand af materie. De banebrydende fund, der er rapporteret i tidsskriftet Natur, detaljere observationerne af den langteoretiserede, men evigt elusive tilstand kendt som "quantum spin liquid" - hvor elektroner tilsyneladende bryder ind i mindre stykker.

"Dette er en ny kvantetilstand, der er forudsagt, men det er ikke blevet set før," siger Johannes Knolle, en videnskabsmand ved Cambridges Cavendish Laboratory og en af ​​papirets medforfattere, i en pressemeddelelse.

Enhver med et grundlæggende kendskab til fysik ved, at der er tre hovedstater af materie: faste stoffer, væsker og gasser. Mennesker med lidt mere viden kan kende de to andre klassiske stater: plasmaer (fri ladede partikler, der udgør høj energi begivenheder) og kolloider ("i betweens" udgør to stater på én gang som smør).

Men der er mere end et dusin andre stater, der eksisterer, dem der kun er observerbare på meget små skalaer eller under meget fænomenale begivenheder. En af disse er quantum spin væske: en kaotisk tilstand, der kræver en smule mere forklaring, før du virkelig kan få dit hoved omkring hvad der sker.

Ifølge kvantemekanik kan hver partikel udvise to slags vinkelmoment. Den første er orbital vinkel momentum, og den anden er spin. En rå analogi for disse to respektive handlinger er en planet, der roterer rundt om solen, og viser både en omløb og et aksialt spin.

Når et system har opnået en række interagerende kvantespinser, antages det at være i en uordnet tilstand på samme måde som flydende vand er uorden i forhold til fast is. Quantum spin væske har lignende opførsel, men ved lave temperaturer. I stedet for at komme sammen i et ensartet mønster, for eksempel at bringe stoffer sammen i en fast tilstand, vil et stykke stof, der er i kvantevæskespin, fortsætte med at virke uregelmæssigt som et varmt rod af suppe. Faktisk er aktiviteten så ekstrem, at partiklerne faktisk falder fra hinanden. Det er en scene, der modsiger nøjagtigt hvad man ville forvente i kolde omgivelser.

I dette tilfælde observerede forskningsholdet partikelpartikler kendt som Majorana fermioner i et todimensionelt materiale, der ligner grafen. Det, de observerede, lignede en hypotetisk quantum-spin-væskemodel kendt som Kitaev-modellen. Resultaterne afslører endelig slutningen af ​​en 40-årig søgning efter denne tilstand af materie.

Mere specifikt kaster de nye kvantespringvæskeobservationer lys på en egenskab kendt som elektronopdeling, hvilket en dag kunne medvirke til at konstruere nye former for kvantecomputere, der fungerer langt hurtigere end dagens maskiner ved at omgå grænserne for konventionelle materialer.

Den slags gennembrud er årtier i fremtiden. Den blotte kendsgerning, at vi har været i stand til at observere en ny tilstand af materiel i kødet, er blot et tegn på, at mennesker endnu ikke skal ridse overfladen i at forstå, hvordan den naturlige verden virker.