Natuurkundigen hebben een nieuwe staat van materie geïdentificeerd waarvan de structurele volgorde werkt volgens regels die meer in lijn zijn met de kwantummechanica dan de standaard thermodynamische theorie. In een klassiek materiaal dat kunstmatig spinijs wordt genoemd, die in bepaalde fasen ongeordend lijkt, het materiaal is daadwerkelijk besteld, maar in een "topologische" vorm.

"Ons onderzoek toont voor het eerst aan dat klassieke systemen zoals kunstmatig spinijs kunnen worden ontworpen om topologische geordende fasen aan te tonen, die voorheen alleen in kwantumcondities werden gevonden, " zei Los Alamos National Laboratory-fysicus Cristiano Nisoli, leider van de theoretische groep die samenwerkte met een experimentele groep aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, geleid door Peter Schiffer (nu aan de Yale University).

Natuurkundigen classificeren over het algemeen de fasen van materie zoals geordend, zoals kristal, en ongeordend, zoals gassen, en dat doen ze op basis van de symmetrie van een dergelijke orde, zei Nisoli.

"De demonstratie dat deze topologische effecten kunnen worden ontworpen in een kunstmatig spin-ijssysteem, opent de deur naar een breed scala aan mogelijke nieuwe studies, ' zei Schiffer.

Gespecialiseerd materiaal handhaafde raadselachtige energieniveaus in experimenten

In het nieuwe onderzoek het team verkende een bepaalde kunstmatige spin-ijsgeometrie, genaamd Shakti spin-ijs. Hoewel deze materialen theoretisch zijn ontworpen, deze keer, de ontdekking van zijn exotische, out-of-evenwichtseigenschappen gingen van experimenten naar theorie.

Het uitvoeren van foto-emissie-elektronenmicroscopiekarakterisering bij de Advanced Light Source van het Amerikaanse Department of Energy in het Lawrence Berkeley National Laboratory, Het team van Schiffer onthulde iets raadselachtigs:in tegenstelling tot andere kunstmatige spin-ijsjes, die hun energiearme toestand konden bereiken naarmate de temperatuur in opeenvolgende uitdovingen werd verlaagd, Shakti spin-ijs bleef koppig op ongeveer hetzelfde energieniveau. "Het systeem loopt zo vast dat het zichzelf niet kan herschikken, ook al zou een grootschalige herschikking het mogelijk maken om naar een lagere energietoestand te vallen, ' zei Schiffer.

Duidelijk, er werd iets geconserveerd, maar niets leek een voor de hand liggende kandidaat in een materiaal dat kunstmatig was bedacht om een ​​ongeordend spinbeeld te geven.

Terugtrekken om het grote geheel te zien

Weggaan van een spin-beeld en zich concentreren op een opkomende beschrijving van de excitaties van het systeem, Nisoli beschreef een toestand van lage energie die precies in een gevierd theoretisch model kon worden in kaart gebracht. het "dimeer omslagmodel, " waarvan de topologische eigenschappen eerder waren erkend. Toen, gegevens van het experiment bevestigden het behoud van topologische lading en dus een lange levensduur van de excitaties.

"Ik vind het het meest intrigerend omdat meestal theoretische kaders van klassieke fysica naar kwantumfysica gaan. Niet zo met topologische orde, ' zei Nisoli.

Succesvol samenwerken

Fysieke experimenten werden uitgevoerd door het team van Schiffer aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en werden gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie. De kinetiek van het materiaal werd in realtime en in de ruimte onderzocht bij de Advanced Light Source.