Veel fysieke verschijnselen kunnen worden gemodelleerd met relatief eenvoudige wiskunde. Maar, in de kwantumwereld zijn er een groot aantal intrigerende fenomenen die voortkomen uit de interacties van meerdere deeltjes - "vele lichamen" - die notoir moeilijk te modelleren en te simuleren zijn, zelfs met krachtige computers. Voorbeelden van quantum veel-lichaamstoestanden zonder klassieke analoog zijn onder meer supergeleiding, supervloeistoffen, Bose-Einstein condensatie, quark-gluonplasma's enz. Als resultaat veel "quantum many-body"-modellen blijven theoretisch, met weinig experimentele steun. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van EPFL en het Paul Scherrer Institut (PSI) hebben experimenteel een nieuwe kwantum veel-lichaamstoestand gerealiseerd in een materiaal dat een beroemd theoretisch model vertegenwoordigt, het "Shastry-Sutherland" -model. Het werk is gepubliceerd in Natuurfysica .

Hoewel er verschillende eendimensionale veellichamenmodellen zijn die precies kunnen worden opgelost, er zijn er maar een handvol in twee dimensies (en zelfs minder in drie). Dergelijke modellen kunnen worden gebruikt als vuurtorens, het begeleiden en kalibreren van de ontwikkeling van nieuwe theoretische methoden.

Het Shastry-Sutherland-model is een van de weinige 2D-modellen met een exacte theoretische oplossing, die de kwantumpaarsgewijze verstrengeling van magnetische momenten in een vierkante roosterstructuur vertegenwoordigt. Wanneer verwekt, het Shastry-Sutherland-model leek een abstracte theoretische constructie, maar opmerkelijk genoeg werd ontdekt dat dit model experimenteel is gerealiseerd in het materiaal Sr2Cu(BO3)2.

Mohamed Zayed in het lab van Henrik Rønnow bij EPFL en Christian Ruegg bij PSI ontdekten dat er druk kan worden gebruikt om het materiaal zo af te stemmen van de Shastry-Sutherland-fase dat een zogenaamde kwantumfaseovergang naar een volledig nieuw kwantum veel lichaamstoestand is bereikt.

In tegenstelling tot klassieke faseovergangen zoals ijs (vast) dat smelt in vloeibaar water en vervolgens verdampt als een gas, kwantumfaseovergangen beschrijven veranderingen in kwantumfasen bij absolute nultemperatuur (273,15 ° C). Ze treden op vanwege kwantumfluctuaties die zelf worden veroorzaakt door veranderingen in fysieke parameters - in dit geval druk.

De onderzoekers konden de nieuwe kwantumtoestand identificeren met behulp van neutronenspectroscopie, dat is een zeer krachtige techniek om magnetische eigenschappen van zowel kwantummaterialen als technologische materialen te onderzoeken. De combinatie van neutronenspectroscopie en hoge drukken is een grote uitdaging, en dit experiment is een van de eersten die dit doet voor een complexe kwantumtoestand.

In het Shastry-Sutherland-model, de atomaire magneten - die voortkomen uit de spins van de elektronen van het atoom - zijn kwantumverstrengeld in paren van twee. De onderzoekers ontdekten dat in de nieuwe kwantumfase de atoommagneten kwantumverstrengeld lijken in sets van vier - zogenaamde plaquette-singlets. "Dit is een nieuw type kwantumfaseovergang, en hoewel er een aantal theoretische studies over zijn gedaan, het is nooit experimenteel onderzocht, " zegt Rønnow. "Ons systeem kan verder onderzoek van deze staat en de aard van de overgang naar de staat mogelijk maken."

De behoefte aan hoge druk beperkt wat momenteel experimenteel haalbaar is. Echter, Rønnow en Ruegg bouwen een nieuwe neutronenspectrometer (CAMEA) aan het Paul Scherrer Instituut, die eind 2018 klaar zal zijn, evenals een andere bij de European Spallation Source in Zweden, die in 2023 operationeel zal worden. De 4-spin-toestand in strontiumkoperboraat zal een van de eerste experimenten zijn voor deze nieuwe machines. Als volgende stap, experimenten die druk en magnetische velden combineren, kunnen toegang geven tot nog onontdekte fasen in kwantummaterialen.

"Quantum veellichamenfysica blijft een uitdaging waar de theorie nog maar de oppervlakte heeft bekrast over hoe ermee om te gaan, ", zegt Rønnow. "Betere methoden om kwantumverschijnselen met veel lichamen aan te pakken, zouden implicaties hebben van materiaalwetenschap tot kwantuminformatietechnologie."