Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Liverpool en McMaster University heeft een belangrijke doorbraak bereikt in de zoektocht naar nieuwe toestanden van materie.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , onderzoekers tonen aan dat het perovskiet-gerelateerde metaaloxide, TbInO ₃ , vertoont een kwantumspin vloeibare toestand, een lang gezochte en ongewone toestand van de materie.

Met behulp van geavanceerde experimentele technologieën, inclusief inelastische neutronenverstrooiing en muonspectroscopie, onderzoekers ontdekten dat de exotische kwantumtoestand in TbInO ₃ komt voort uit de complexiteit van de lokale omgeving rond de magnetische ionen in het materiaal, in dit geval, van het zeldzame aarde-element terbium.

De ontdekking kwam als een verrassing voor het team als TbInO ₃ is een materiaal dat op basis van zijn kristalstructuur naar verwachting niet zo'n ongewoon magnetisch gedrag vertoont.

De kwantumspin vloeibare toestand werd meer dan veertig jaar geleden theoretisch voorgesteld door de Nobelprijswinnaar Philip Anderson. In kwantumspinvloeistoffen, magnetische momenten gedragen zich als een vloeistof en bevriezen of ordenen niet, zelfs niet bij het absolute nulpunt, waardoor verschillende buitengewone materiaaleigenschappen ontstaan.

De materialisatie van kwantumspinvloeistoffen is nog steeds wijdverbreid omstreden. Als zodanig, de ontdekking en verkenning van nieuwe materialen die deze toestand van materie kunnen bevatten, zijn actieve gebieden van geavanceerd materiaalonderzoek en hebben potentiële toepassingen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers.

Dr. Lucy Clark, van de University's Materials Innovation Factory, die een programma van onderzoek naar kwantummaterialen leidt, zei:"Het heeft ons een aantal jaren van hard werken en experimenten gekost om dit punt te bereiken in ons begrip van TbInO ₃ ."

"Bij het bestuderen van ingewikkelde kwantumtoestanden van materie zoals de kwantumspinvloeistof, het uitvoeren van één experiment roept vaak meer vragen op dan het kan beantwoorden. In het geval van TbInO ₃ , echter, de natuurkunde is bijzonder rijk, en dus werden we vooral gedreven om door te zetten. Onze studie toont aan dat TbInO ₃ is een fascinerend magnetisch materiaal, en een die waarschijnlijk nog veel meer intrigerende eigenschappen heeft die we nog moeten ontdekken."

"Dit werk zou niet mogelijk zijn geweest zonder de medewerking van onze collega's van de toonaangevende centrale faciliteiten in het Oak Ridge National Laboratory en de ISIS Facility in het Rutherford Appleton Laboratory, waar een groot deel van onze experimenten werd uitgevoerd. Beide faciliteiten produceren deeltjes – in het bijzonder neutronen en muonen - die we kunnen gebruiken om de atomaire structuur en eigenschappen van materialen te onderzoeken om de aard van nieuwe fasen te onthullen, zoals de kwantumspinvloeistof."

Professor Bruce Gaulin, Directeur van het Brockhouse Institute for Materials Research aan de McMaster University, zei:"Dit materiaal lijkt bedrieglijk eenvoudig, met terbiumspins die een tweedimensionale, driehoekige architectuur. Maar met de volledige aanvulling van moderne experimentele technieken tot onze beschikking, het lage temperatuur magnetisme van deze structuur, gebaseerd op twee verschillende terbium-omgevingen, vertoont een geheel exotische kwantum wanordelijke toestand van materie - een onverwacht en opwindend resultaat."

Dr. Lucy Clark voegde toe:"De sleutel tot het succes van het project was de sterke en duurzame internationale samenwerking, inclusief de groep onder leiding van Prof Sang-Wook Cheong, Directeur van het Center for Quantum Materials Synthesis aan de Rutgers University."

De krant, "Tweedimensionaal spinvloeistofgedrag in de driehoekige honingraat antiferromagneet TbInO ₃ " is gepubliceerd in Natuurfysica .