Over het algemeen wordt aangenomen dat wanorde schadelijk is voor het creëren van materialen met ongebruikelijk magnetisme of andere kwantumverschijnselen. Echter, een team ontdekte dat een zwakke stoornis verrassend een zeldzame kwantumtoestand stabiliseert die een kwantumspinvloeistof wordt genoemd. In deze staat, fluctuaties van elektronische spins houden aan tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Het specifieke materiaal is gemaakt van praseodymium, zirkonium, en zuurstof (Pr2Zr2O7). Het materiaal bevat zeldzame aardionen (Pr3+) met een even aantal elektronen op een zwak ongeordend kristalrooster. Terwijl het kristalrooster conventioneel magnetisme frustreert, zwakke stoornis bevordert de zeldzame kwantumspin vloeibare toestand.

De ontdekking dat een zwakke stoornis deze zeldzame toestand kan veroorzaken, opent een nieuwe richting in de zoektocht naar een praktische kwantumspinvloeistof. Deze toestand van materie kan nuttig zijn als bouwstenen voor kwantumcomputers. Deze computers zouden orden van grootte sneller kunnen zijn dan de huidige computers. Deze snelheid vertaalt zich in rekenkracht om problemen op te lossen die tegenwoordig niet haalbaar zijn.

Een zeldzame staat van materie, een kwantumspinvloeistof genaamd, die meer dan 40 jaar geleden werd voorgesteld, wordt nagestreefd vanwege zijn unieke fysieke eigenschappen. In een kwantumspinvloeistof, elektronische spins vormen geen statisch geordend patroon zoals in conventionele magnetische materialen, maar fluctueren op een gecoördineerde (verstrengelde) manier, zelfs bij extreem lage temperaturen. Maar kunnen zulke kwantum fluctuerende toestanden van materie bestaan ​​in praktische materialen die onvermijdelijk ongeordend zijn en kan kwantitatieve informatie daarover worden geëxtraheerd uit experimenten met neutronenverstrooiing?

Om dergelijke vragen te beantwoorden, een team van onderzoekers onder leiding van de Johns Hopkins University bestudeerde een pyrochlooroxide met de chemische formule Pr2Zr2O7. Conventioneel magnetisme wordt gefrustreerd door de geometrie van het pyrochloorrooster wanneer magnetische ionen een specifieke locatie in het kristalrooster innemen en dit kan leiden tot exotische magnetische toestanden. Combinatie van vastestofsynthese, hoogwaardige monokristallijne groei, en geavanceerde neutronenverstrooiing, dit onderzoek onthulde de aanwezigheid van een kwantumspinvloeistof in Pr2Zr2O7.

De inelastische neutronenverstrooiingsgegevens tonen de signatuur voor deze zeldzame toestand waar een band van (inelastische, w> 0) verstrooiingsintensiteit blijft bestaan ​​bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Dit onderzoek wijst op een nieuw paradigma dat op de juiste niveaus, zwakke structurele stoornis kan de vorming van een kwantumspinvloeistof met verstrengelde elektronische spins zelfs bevorderen. Dit vermogen om ondanks wanorde kwantummagnetisme te manipuleren en te induceren, zou de weg kunnen banen voor nieuwe en meer praktische materialen met de ongrijpbare kwantumspinvloeistof voor toepassingen zoals kwantumcomputers.