In een nieuw exotisch kristal, natuurkundige Martin Mourigal heeft sterke aanwijzingen voor "spookachtige" actie waargenomen, en veel ervan. De resultaten van zijn experimenten, indien bevestigd in de tijd, zou betekenen dat het type kristal een zeldzaam nieuw materiaal is dat een kwantumspinvloeistof kan bevatten.

Momenteel, slechts een klein handjevol materialen wordt verondersteld deze eigenschappen te hebben. Dit nieuwe kristal werd pas een jaar geleden voor het eerst gesynthetiseerd. Bevestiging door andere natuurkundigen van Mourigal's nieuw geproduceerde experimentele gegevens kan een decennium of langer duren.

Verward? Maak kennis met de kwantumfysica

Een "vloeistof" die in een vast object wordt gevonden, klinkt voor veel mensen misschien verwarrend.

Welkom bij kwantummaterialen, deel van de schemerzone genaamd kwantumfysica, waarmee wetenschappers al een eeuw worstelen om een ​​nanometer per keer te begrijpen. Hoewel veel ervan nog niet is ontdekt, kwantumfysica beschrijft de onderliggende realiteit van materie.

De werking van computers, telefoons, supergeleiders en MRI-machines zijn erop gebaseerd. Maar de wetten over het atomaire rijk tarten de menselijke perceptie van wat echt is, en sommige klinken zo belachelijk dat ze populairwetenschappelijke hersenkrakers zijn geworden.

'Vloeistof' in 'spookachtige' verstrengeling

Neem kwantumverstrengeling, de kern van Mourigals onderzoek naar het kristal:als twee deeltjes, elektronen, bijv. verstrikt raken, ze kunnen fysiek worden gescheiden door vele mijlen, en toch nauw met elkaar verbonden zijn. Acties die op het ene deeltje worden toegepast, hebben onmiddellijk effect op het andere.

Aanvankelijk, deze theorie was zelfs te raar voor de vader van de relativiteitstheorie, Albert Einstein, die het als "spookachtige actie op afstand" bestempelde.

Verstrengeling is sindsdien bewezen in experimenten, maar nu wetenschappers zoals Mourigal, een experimenteel fysicus aan het Georgia Institute of Technology, en zijn team, hebben het veel verder gebracht. Het synthetische kristal dat hij heeft onderzocht, een ytterbiumverbinding met de formule YbMgGaO4, zit waarschijnlijk boordevol waarneembare 'spookachtige' verbindingen.

Mourigal, voormalig postdoctoraal fellow Joseph Paddison en afgestudeerde student Marcus Daum publiceerden hun observaties in het tijdschrift Natuurfysica op maandag, 5 december 2016. Ze werkten samen met collega's van de Universiteit van Tennessee en het Oak Ridge National Laboratory. Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.

Quantum computing dromen

Deze enorme 'spookachtige' verstrengeling maakt een systeem van elektronen tot een 'vloeistof' voor kwantumspin. De term is niet bedoeld in de alledaagse zin, als in water. Hier, het beschrijft de collectieve aard van de spins van elektronen in het kristal.

"In een spin 'vloeistof, ' de richtingen van de spins zijn niet netjes uitgelijnd, maar uitzinnig, hoewel de spins met elkaar verbonden zijn, terwijl in een 'vaste' spin de spinrichtingen netjes zijn georganiseerd, ' zei Mourigal.

Als de ontdekking stand houdt, het zou een deur kunnen openen naar honderden nog onbekende kwantumspinvloeistoffen die volgens natuurkundigen moeten bestaan ​​volgens theorie en wiskundige vergelijkingen. In de verre toekomst, nieuwe kwantummaterialen zouden kunnen worden, naar hedendaagse maatstaven, virtuele tovenaarsstenen in handen van kwantumcomputeringenieurs.

Het succes van het ytterbiumkristal in Peking?

Het ytterbiumkristal werd een jaar geleden voor het eerst gesynthetiseerd door wetenschappers in China, waar de regering in Peking zwaar heeft geïnvesteerd in de hoop synthetische kwantummaterialen te maken met nieuwe eigenschappen. Het lijkt erop dat ze nu zijn geslaagd, zei Mourigal, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Physics.

"Stel je een toestand van materie voor waarin deze verstrengeling geen twee elektronen omvat, maar omvat, drie, vijf, 10 of 10 miljard deeltjes allemaal in hetzelfde systeem, " zei Mourigal. "Je kunt een heel, zeer exotische toestand van materie gebaseerd op het feit dat al deze deeltjes met elkaar verstrengeld zijn. Er zijn geen individuele deeltjes meer, maar één enorm elektronenensemble dat gezamenlijk optreedt."

Een van de weinige eerder waargenomen schijnbare kwantumspinvloeistoffen komt voor in een natuurlijk kristal genaamd herbertsmithiet, een smaragdgroene steen gevonden in 1972 in een mijn in Chili. Het is vernoemd naar mineraloog Herbert Smith, die bijna 20 jaar voor de ontdekking stierf.

Onderzoekers observeerden de schijnbare spin-vloeibare aard in 2012 nadat wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology erin slaagden een gezuiverd stuk van het kristal in hun laboratorium te reproduceren.

Encyclopedie van spinvloeistoffen

Die eerste ontdekking was nog maar het begin van een Odyssee. Door zijn chemische samenstelling, herbertsmithite produceert slechts één enkel verstrengelingsschema. Natuurkunde wiskunde zegt dat er ontelbare meer moeten zijn.

"Herbertsmithiet vinden was hetzelfde als zeggen:'dieren bestaan.' Maar er zijn zoveel verschillende diersoorten, of zoogdieren, of vis, reptielen en vogels, ' zei Mourigal. 'Nu we er een hebben gevonden, we zijn op zoek naar verschillende soorten spinvloeistoffen."

Hoe meer spinvloeistoffen experimentele natuurkundigen bevestigen, de meer theoretische natuurkundigen zullen ze kunnen gebruiken om hun geest rond de kwantumfysica te buigen. "Het is belangrijk om er een encyclopedie van te maken, "Zei Mourigal. "Dit nieuwe kristal is misschien pas onze tweede of derde inzending."

Wat neutronenverstrooiing onthulde

Natuurkundigen van de Universiteit van Tennessee slaagden erin het originele ytterbium-kristal te repliceren, en Mourigal hebben het onderzocht in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL), waar het werd afgekoeld tot een temperatuur van -273,09 graden Celsius (0,06 graden Kelvin).

De afkoeling vertraagde de natuurlijke beweging van de atomen tot een bijna stop, waardoor de onderzoekers de dans van de elektronenspins rond de Ytterbium (Yb) -atomen in het YbMgGaO4-kristal konden observeren. Ze gebruikten een krachtige supergeleidende magneet om de spins op een ordelijke manier uit te lijnen om een ​​startpunt voor hun waarnemingen te creëren.

"Toen hebben we het magnetische veld verwijderd, en laat ze teruggaan naar hun speciale soort wiebelen, " zei Mourigal. Zijn team voerde de waarnemingen uit bij de ORNL Spallation Neutron Source, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science. SNS heeft ongeveer de kracht en grootte van een deeltjes-supercollider, en stelden de wetenschappers in staat om het concert van elektronenspins te bekijken door ze te bombarderen met neutronen.

Normaal gesproken, wanneer een elektron zijn spin omdraait, onderzoekers zouden verwachten dat het een nette kettingreactie zou veroorzaken, resulterend in een golf die door het kristal gaat. De golf van elektronenspins die opeenvolgend ronddraaien, zou eruit kunnen zien als fans bij een voetbalwedstrijd die staan ​​en weer gaan zitten om een ​​golf rond het stadion te laten gaan.

Maar er gebeurde iets vreemds. "Deze onsamenhangende soort spingolf viel uiteen in vele andere golven, omdat alles collectief is, alles is verstrikt, " zei Mourigal. "Het was een continuüm van opwinding, maar breken over veel elektronen tegelijk."

Het was kwalitatief vergelijkbaar met wat werd waargenomen met dezelfde techniek op herbertsmithiet.

Nobelprijs topologie donut

Om de waarnemingen van het team van Mourigal te verifiëren, theoretische fysici zullen de gegevens moeten kraken met methoden die, gedeeltelijk, vertrouwen op topologie, een focus van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde. Mourigal denkt dat de kans groot is dat ze zullen slagen. "Op het eerste gezicht, dit materiaal schreeuwt, 'Ik ben een kwantumspinvloeistof, '" hij zei.

Maar het moet een jarenlange reeks strenge wiskundige tests ondergaan. De theoretische natuurkundigen zullen de gegevens rond een wiskundige "donut" wikkelen om te bevestigen of het een kwantumspinvloeistof is of niet.

"Dat is serieus bedoeld, Mourigal zei. "Als een wiskundige mentale oefening, ze verspreiden de spinvloeistof virtueel rond een donutvorm, en de manier waarop het reageert op een donut, vertelt je iets over de aard van die spinvloeistof."

Hoewel verstrengelde deeltjes ruimte en tijd lijken te trotseren, de vorm van de ruimte die ze innemen, beïnvloedt de aard van het verstrengelingspatroon.

De mogelijkheid van een kwantumspinvloeistof werd voor het eerst aangetoond in de jaren dertig, maar alleen met behulp van atomen die in een rechte lijn zijn geplaatst. Natuurkundigen hebben de afgelopen decennia gezocht naar materialen die ze bevatten.