Er is geen bekende manier om te bewijzen dat er een driedimensionale "quantum spin-vloeistof" bestaat, dus deden natuurkundigen van Rice University en hun medewerkers het op één na beste:ze toonden aan dat hun enkele kristallen van cerium-zirkoniumpyrochloor het juiste materiaal hadden om te kwalificeren als de eerste mogelijke 3D-versie van de lang gezochte toestand van de materie.

Ondanks de naam, een kwantumspinvloeistof is een vast materiaal waarin de vreemde eigenschap van de kwantummechanica - verstrengeling - zorgt voor een vloeistofachtige magnetische toestand.

In een krant deze week in Natuurfysica , onderzoekers boden een groot aantal experimentele bewijzen aan - waaronder cruciale neutronenverstrooiingsexperimenten in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en muon-spinrelaxatie-experimenten bij het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland - om hun bewering te ondersteunen dat cerium-zirkoniumpyrochloor, in zijn eenkristalvorm, is het eerste materiaal dat kwalificeert als een 3D-kwantumspinvloeistof.

"Een kwantumspinvloeistof is iets dat wetenschappers definiëren op basis van wat je niet ziet, " zei Rice's Pengcheng Dai, corresponderende auteur van de studie en een lid van Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Je ziet geen lange-afstandsvolgorde in de rangschikking van spins. Je ziet geen wanorde. En verschillende andere dingen. Het is niet dit. Het is niet dat. Er is geen overtuigende positieve identificatie."

Aangenomen wordt dat de monsters van het onderzoeksteam de eerste in hun soort zijn:Pyrochloren vanwege hun 2-tot-2-tot-7-verhouding van cerium, zirkonium en zuurstof, en eenkristallen omdat de atomen erin in een continue, ongebroken rooster.

"We hebben elk experiment gedaan dat we konden bedenken op deze compound, " zei Dai. "(Co-auteur van de studie) Emilia Morosan's groep bij Rice deed warmtecapaciteitswerk om aan te tonen dat het materiaal geen faseovergang ondergaat tot 50 millikelvin. We hebben zeer zorgvuldige kristallografie gedaan om aan te tonen dat er geen wanorde in het kristal is. We deden muon spin-relaxatie-experimenten die een afwezigheid van magnetische orde op lange afstand tot 20 millikelvin aantoonden, en we deden diffractie-experimenten die aantoonden dat het monster geen zuurstoftekort of andere bekende defecten heeft. Eindelijk, we deden inelastische neutronenverstrooiing die de aanwezigheid van een spin-excitatiecontinuüm aantoonde - wat een kenmerk van kwantumspinvloeistof kan zijn - tot 35 millikelvin."

Dai, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, schreef het succes van de studie toe aan zijn collega's, met name co-lead auteurs Bin Gao en Tong Chen en co-auteur David Tam. Gao, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Rice, creëerde de monokristallijne monsters in een laser-zwevende zone-oven in het laboratorium van co-auteur Sang-Wook Cheong van Rutgers University. Tong, een rijst Ph.D. student, hielp Bin bij het uitvoeren van experimenten bij ORNL die een continuüm van spin-excitatie produceerden, indicatief voor de aanwezigheid van spinverstrengeling die orde op korte afstand produceert, en Tam, ook een rijst Ph.D. student, leidde muon-spinrotatie-experimenten bij PSI.

Ondanks de inspanningen van het team, Dai zei dat het onmogelijk is om definitief te zeggen dat cerium-zirkonium 227 een spinvloeistof is, deels omdat natuurkundigen het nog niet eens zijn over welk experimenteel bewijs nodig is om de verklaring af te leggen, en deels omdat de definitie van een kwantumspinvloeistof een toestand is die bestaat bij een temperatuur van het absolute nulpunt, een ideaal dat buiten het bereik van elk experiment ligt.

Er wordt aangenomen dat kwantumspinvloeistoffen voorkomen in vaste materialen die zijn samengesteld uit magnetische atomen, in het bijzonder kristallijne arrangementen. De inherente eigenschap van elektronen die tot magnetisme leidt, is spin, en elektronenspins kunnen alleen naar boven of naar beneden wijzen. Bij de meeste materialen, spins worden willekeurig geschud als een pak kaarten, maar magnetische materialen zijn anders. In de magneten op koelkasten en in MRI-machines, spins voelen hun buren en schikken zich collectief in één richting. Natuurkundigen noemen dit "ferromagnetische orde op lange afstand, " en een ander belangrijk voorbeeld van magnetische orde op lange afstand is antiferromagnetisme, waar spins samen in een herhaling rangschikken, op neer, up-down patroon.

"In een vaste stof met een periodieke rangschikking van spins, als je weet wat een spin hier doet, je kunt weten wat een spin veel doet, veel herhalingen weg vanwege lange-afstandsvolgorde, " zei Rice theoretisch fysicus en co-auteur Andriy Nevidomskyy, een universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde en RCQM-lid. "In een vloeistof, anderzijds, er is geen bestelling op lange termijn. Als je kijkt naar twee watermoleculen op een millimeter van elkaar, bijvoorbeeld, er is geen enkele correlatie. Hoe dan ook, vanwege hun waterstof-waterstofbindingen, ze kunnen nog steeds een geordende rangschikking hebben op zeer korte afstanden met nabijgelegen moleculen, dat zou een voorbeeld zijn van orde op korte termijn."

1973, Nobelprijswinnaar natuurkundige Philip Anderson kwam met het idee van kwantumspinvloeistoffen op basis van het besef dat die geometrische rangschikking van atomen in sommige kristallen het onmogelijk zou kunnen maken voor verstrengelde spins om zich collectief in stabiele rangschikkingen te oriënteren.

Zoals de bekende wetenschapsschrijver Philip Ball in 2017 treffend beschreef:"Stel je een antiferromagneet voor - waarin aangrenzende spins het liefst tegengesteld georiënteerd zijn - op een driehoekig rooster. Elke spin heeft twee naaste buren in een driehoek, maar aan de antiparallelle uitlijning kan niet voor het hele trio worden voldaan. Een mogelijkheid is dat het spinrooster bevriest in een ongeordende 'glazige' toestand, maar Anderson toonde aan dat de kwantummechanica de mogelijkheid biedt van fluctuerende spins, zelfs bij het absolute nulpunt (temperatuur). Deze toestand wordt een kwantumspinvloeistof genoemd, en Anderson suggereerde later dat het mogelijk verband houdt met supergeleiding bij hoge temperaturen."

De mogelijkheid dat kwantumspinvloeistoffen de supergeleiding bij hoge temperaturen zouden kunnen verklaren, leidde sinds de jaren tachtig tot wijdverbreide belangstelling onder fysici van gecondenseerde materie, en Nevidomskyy zei dat de interesse verder toenam toen werd "gesuggereerd dat sommige voorbeelden van zogenaamde topologische kwantumspinvloeistoffen geschikt kunnen zijn voor het bouwen van qubits" voor kwantumcomputers.

"Maar ik geloof dat een deel van de nieuwsgierigheid naar kwantumspinvloeistoffen is dat het in vele incarnaties en theoretische voorstellen is opgedoken, ' zei hij. 'En hoewel we theoretische modellen hebben waarvan we weten, voor een feit, dat het resultaat een spinvloeistof zal zijn, het vinden van een echt fysiek materiaal dat aan die eigenschappen zou voldoen, heeft, tot dusver, zeer moeilijk gebleken. Er is geen consensus in het veld, tot nu toe, dat elk materiaal - 2-D of 3-D - een kwantumspinvloeistof is."