Een beetje frustratie kan het leven interessant maken. Dit is zeker het geval in de natuurkunde, waar de aanwezigheid van concurrerende krachten die niet tegelijkertijd kunnen worden bevredigd - ook wel frustratie genoemd - kan leiden tot zeldzame materiaaleigenschappen. Net zoals watermoleculen meer geordend worden als ze afkoelen en bevriezen tot ijskristallen, de atomen van magneten worden meer geordend naarmate de temperatuur daalt, omdat de kleine magnetische velden of 'spins' van individuele atomen in dezelfde richting beginnen te wijzen. Zogenaamde 'spinvloeistoffen' vormen de uitzondering op deze regel, met spins die blijven fluctueren en in verschillende richtingen wijzen, zelfs bij zeer lage temperaturen. Ze bieden spannende mogelijkheden voor nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde. Wetenschappers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een bepaalde spinvloeistof gemodelleerd, waaruit blijkt dat wanorde naast orde kan bestaan. Drie belangrijke publicaties markeren de mijlpalen in dit onderzoeksgebied.

Eerst, Dr. Ludovic Jaubert van OIST's Theory of Quantum Matter Unit werkte samen met wetenschappers van University College London en de Ecole Normale Supérieure van Lyon om een ​​model voor te stellen voor het naast elkaar bestaan ​​van zowel magnetische orde als wanorde in 2014. Door te simuleren wat er zou gebeuren wanneer neutronen worden afgevuurd op gefrustreerde magneten - zo genoemd vanwege de sterke concurrentie van krachten tussen de spins van individuele atomen - Jaubert en collega's waren in staat om felgekleurde neutronenverstrooiingskaarten te produceren. Als de spins in de atomen van het materiaal op een geordende manier in de magneet zouden zijn uitgelijnd, zou je vlekken op de kaarten verwachten die bekend staan ​​​​als 'Bragg-pieken', terwijl je bij spinvloeistoffen vlinderdasvormen zou verwachten, zogenaamde 'pinchpoints'. Tot hun verbazing, de wetenschappers zagen zowel Bragg-pieken als knijppunten op hun neutronenverstrooiingskaarten, wat suggereert dat de ongeordende eigenschappen van een spinvloeistof tegelijkertijd kunnen bestaan ​​​​met geordend magnetisme.

"Spinvloeistoffen zijn toonbeelden van magnetische wanorde. Het was erg opwindend om de karakteristieke kenmerken van een spinvloeistof in een gedeeltelijk geordende magneet te zien. Het is echt motiverend om na te denken over de fundamentele kansen die dit biedt voor ons begrip van gecondenseerde materie, ' zegt Jabert.

De tweede mijlpaal op dit onderzoeksgebied vond eerder dit jaar plaats, toen een publicatie in Nature Physics aantoonde dat de theorie van Dr. Jaubert en collega's stand hield in experimentele observatie, met behulp van het magnetische materiaal neodymiumzirkonaat (Nd2Zr2O7). "De resultaten van dit experiment bevestigen de theorie die Dr. Jaubert presenteerde over het naast elkaar bestaan ​​van magnetische orde en wanorde in 2014, " zegt dr. Owen Benton, een voormalig postdoctoraal geleerde in de Theory of Quantum Matter Unit, onder leiding van professor Nic Shannon.

Echter, meer werk was nodig om dit nieuwe experiment te koppelen aan het oorspronkelijke idee van Jaubert. Om te ontdekken hoe neodymiumzirkonaat tegelijkertijd zowel geordend als ongeordend kan zijn, Benton ging aan de slag met de laatste mijlpaal van dit onderzoek, theoretiseren van een geschikt microscopisch model voor dit magnetische materiaal. Met behulp van zijn model, Benton toonde aan dat neodymiumzirkonaat zowel in een geordende als in een fluctuerende toestand voorkomt, waardoor het een zeer ongebruikelijk soort magneet is.

Het werk laat ook zien dat neodymiumzirkonaat op het punt staat een kwantumspinvloeistof te worden - een zeldzame toestand van materie die een achterdeur naar de kwantumwereld opent. In een echte kwantumspinvloeistof, de spins van een materiaal zouden niet alleen in veel verschillende richtingen fluctueren als functie van de tijd, maar zouden tegelijkertijd in veel verschillende richtingen wijzen.

"Als je zou kunnen aantonen dat er zoiets bestaat als een kwantumspinvloeistof, zou het een voorbeeld zijn van Schrödinger's kat op een groot object, ", zegt Benton. De kat van Schrödinger is een beroemd gedachte-experiment in de natuurkunde waarbij een kat in een verzegelde doos met een radioactieve bron tegelijkertijd zowel levend als dood is. Net zoals de kat in meerdere staten bestaat, d.w.z. levend en dood, tegelijkertijd, dit onderzoek effent de weg voor het vinden van echte magneten die zich in veel staten tegelijk bevinden.

"Deze studie toont ook aan dat we een zeer compleet beeld kunnen krijgen van de fysica van neodymiumzirkonaat met behulp van een model, ", zegt Benton. Verder theoretisch en experimenteel onderzoek van dit en verwante materialen zou nog meer onverwachte en opwindende verschijnselen kunnen onthullen.