Terwijl wetenschappers de structuur en eigenschappen van materie op steeds diepere niveaus hebben onderzocht, hebben ze veel exotische nieuwe materialen ontdekt, inclusief supergeleiders die elektrische stroom voeren zonder weerstand, vloeibare kristallen die zijn uitgelijnd om briljante dynamische displays te produceren, en materialen die verschillende vormen van magnetisme vertonen. Toch bestaan ​​sommige exotische vormen van materie alleen in theorie, voorspeld door wetenschappers op basis van wat ze op deze diepere niveaus hebben geleerd. Nu komt een paar natuurkundigen met een theoretische routekaart die zou kunnen wijzen op de ontdekking van zo'n exotisch magnetisch geordende staat, een "chirale spinvloeistof" genoemd.

"Deze vorm van materie werd ongeveer 30 jaar geleden voor het eerst gesuggereerd als een bepaald soort magnetische orde zonder een duidelijke globale richting van magnetische momenten, " zei Alexei Tsvelik, een theoreticus bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Maar de ontdekking ervan is een luchtkasteel gebleven, tot nu."

In een nieuw artikel dat door het tijdschrift is geaccepteerd als een suggestie van de redactie Fysieke beoordelingsbrieven , Tsvelik en co-auteur Oleg Yevtushenko van de Ludwig Maximilian University in Duitsland beschrijven de algemene vereisten waaraan een dergelijk magnetisch systeem moet voldoen. Ze geven ook specifieke suggesties over waar en hoe te zoeken naar echte voorbeelden van chirale spinvloeistoffen.

Bestelling zoeken

Voor een eenvoudig voorbeeld van hoe de eigenschappen van materie voortkomen uit "orde" tussen de bouwstenen, denk na over hoe temperatuur de rangschikking van watermoleculen beïnvloedt. Je krijgt dramatisch verschillende eigenschappen, afhankelijk van of de moleculen vrij kunnen bewegen als stoom, gekoeld om gezamenlijk als vloeistof te stromen, of opgesloten in vaste posities in een vast ijskristal.

"In dat simpele geval de kristallijne orde is met het blote oog te zien, "Zei Tsvelik. "Maar natuurkundigen zijn altijd op zoek naar iets subtielers en verfijnders, " zoals orde in de oriëntaties van magnetische momenten van elektronen.

Elektronen hebben een eigenschap genaamd spin, enigszins analoog aan de spin van een speelgoedtop. De rotatie-as bepaalt in welke richting de spin wijst, en zorgt ervoor dat individuele elektronen zich gedragen als kleine magneten. In een materiaal als ijzer, wanneer de richtingen van de microscopische magnetische momenten van de elektronen zijn uitgelijnd, je krijgt magnetisme op macroscopische schaal.

In een chirale spinvloeistof, echter, de wetenschappers zijn niet op zoek naar zo'n lange-afstands magnetische orde. In plaats daarvan zoeken ze naar een bepaald type lokale magnetische orde tussen groepen van drie naburige elektronen.

"Wat we willen is een opstelling waarbij drie aangrenzende magnetische momenten een triade vormen met hun oriëntaties vast ten opzichte van elkaar, maar er is geen globale oriëntatie, " zei Tsvelik. Hij gebruikt zijn rechterhand om de relatieve oriëntaties aan te tonen, waarbij zijn duim en wijsvinger een L vormen en zijn middelvinger recht uit zijn handpalm wijst, allemaal haaks op elkaar, zoals de x, ja, z-assen op een driedimensionale grafiek.

Het gebruik van een hand is een geschikte steun, omdat het gemakkelijk aantoont dat een spiegelbeeldige opstelling kan worden bereikt met de linkerhand in plaats van met de rechterhand. Deze twee verschillende arrangementen zijn voorbeelden van positieve en negatieve chiraliteit, een woord dat natuurkundigen en scheikundigen gebruiken om de "handigheid" van driedimensionale structuren te beschrijven. Eenmaal besteld, de spinvloeistof kiest spontaan een bepaalde chiraliteit, zei Tsvelik.

Op basis van hun begrip van materiaaleigenschappen, de wetenschappers voorspelden welke eigenschappen chirale spinvloeistoffen met dergelijke arrangementen zouden moeten hebben, en gebruikten vervolgens theoretische berekeningen om hun ideeën te ondersteunen. Het artikel bevat zelfs de chemische formule van een bepaald materiaal dat experimentele onderzoekers zouden willen onderzoeken.

In essentie, Tsvelik zei, het materiaal moet een gelaagd metaal zijn, waar de spins zich in goed gescheiden lagen bevinden en waar de gelokaliseerde magnetische momenten naast geleidingselektronen kunnen bestaan. Het moet ook sterk reageren op een niet-uniform magnetisch veld met een bepaalde periodiciteit - vergelijkbaar met de manier waarop de externe trillingen van de stem van een operazanger een glas kunnen versplinteren dat trilt met dezelfde resonantiefrequentie als de noot. Maar verwacht niet dat het metaal zal versplinteren, zei Tsvelik.

Wat kunnen we verwachten als er bijvoorbeeld chirale spinvloeistof wordt ontdekt? Tsvelik heeft geen specifieke voorspellingen.

"Als je kijkt naar de geschiedenis van de wetenschap - van de ontdekking van mechanica tot het elektron tot het splitsen van het atoom - is het nooit door toepassingen aangedreven. Vele malen komen toepassingen uiteindelijk tevoorschijn, zelfs gigantische, zoals die welke de industriële revolutie veroorzaakten, die voortkwam uit de ontdekkingen van Newton. Maar dat is niet wat de wetenschap drijft, " hij zei.