In 1987, Paul W. Anderson, een Nobelprijswinnaar in de natuurkunde, stelde voor dat supergeleiding bij hoge temperaturen, of verlies van elektrische weerstand, is gerelateerd aan een exotische kwantumtoestand die nu bekend staat als kwantumspinvloeistof. Magnetische materialen bestaan ​​uit zeer kleine magneten, die zo klein kunnen zijn als individuele elektronen. De sterkte en richting hiervan worden beschreven door het magnetische moment. In kwantumspinvloeistoffen, magnetische momenten gedragen zich als een vloeistof en bevriezen of ordenen niet, zelfs niet bij het absolute nulpunt. Deze kwantumtoestanden worden bestudeerd als veelbelovende materialen voor nieuwe, zogenaamde topologische kwantumcomputers, waarin bewerkingen zijn gebaseerd op deeltjesachtige aangeslagen toestanden die worden gevonden in kwantumspinvloeistoffen. Naast de grote rekenkracht, een topologische kwantumcomputer wordt gekenmerkt door een hoge fouttolerantie, die het mogelijk maakt om de grootte van de computer te vergroten. Echter, tot nu toe zijn slechts enkele kwantumspinvloeistoffen die geschikt zijn voor topologische kwantumcomputers geïdentificeerd.

Nutsvoorzieningen, voor de eerste keer ooit, onderzoekers van de Universiteit van Aalto, Braziliaans Centrum voor Onderzoek in Natuurkunde (CBPF), De Technische Universiteit van Braunschweig en de Universiteit van Nagoya hebben de door Anderson voorspelde supergeleiderachtige kwantumspinvloeistof geproduceerd. Dit is een belangrijke stap op weg naar het begrijpen van supergeleiders en kwantummaterialen. De bereiding van een kwantumspinvloeistof werd mogelijk gemaakt door een nieuwe manier om de eigenschappen van magnetische materialen op maat te maken, ontwikkeld door chemici van Aalto University. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Hoge temperatuur supergeleiders zijn koperoxiden waarin de koperionen een vierkant rooster vormen zodat de aangrenzende magnetische momenten in tegengestelde richtingen gericht zijn. Wanneer deze structuur wordt verstoord door de oxidatietoestand van koper te veranderen, het materiaal wordt supergeleidend. In het nieuwe onderzoek dat nu is gepubliceerd, de magnetische interacties van deze vierkante structuur werden gemodificeerd met ionen met een d10 en d0 elektronische structuur, waardoor het materiaal in een kwantumspinvloeistof veranderde.

"In de toekomst, deze nieuwe d10/d0-methode kan worden gebruikt in veel andere magnetische materialen, waaronder verschillende kwantummaterialen, ", zegt promovendus Otto Mustonen van Aalto University.

Naadloze samenwerking

Empirische detectie van kwantumspinvloeistoffen is moeilijk en vereist een uitgebreide onderzoeksinfrastructuur.

"We gebruikten muon-spinspectroscopie in deze studie. Deze methode is gebaseerd op de interactie van zeer kortlevende, elektronachtige elementaire deeltjes, bekend als muonen, met de stof die wordt bestudeerd. De methode kan zeer zwakke magnetische velden in kwantummaterialen detecteren, " zegt professor F. Jochen Litterst van de Technische Universiteit van Braunschweig. De metingen werden uitgevoerd aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland.

"Naast topapparatuur, het onderzoek vereist een naadloze samenwerking tussen chemici en natuurkundigen, ", zegt professor Maarit Karppinen. "We zullen in de toekomst dezelfde internationale multidisciplinaire aanpak nodig hebben, zodat dit onderzoek naar kwantumspinvloeistoffen ons kan leiden tot de experimentele realisatie van de topologische kwantumcomputer."