Naast vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, meer exotische toestanden van materie kunnen onder speciale omstandigheden in specifieke materialen worden gegenereerd. Dergelijke toestanden zijn van groot belang voor natuurkundigen omdat ze een dieper begrip van kwantumverschijnselen verschaffen.

Het Bose-Einstein-condensaat is zo'n toestand van materie die optreedt bij zeer lage temperaturen. In deze staat, de meeste samenstellende deeltjes van het condensaat bevinden zich in de zogenaamde "grondtoestand, "op hun laagst mogelijke energie, en microscopisch kleine kwantumverschijnselen kunnen gemakkelijk worden waargenomen. interessant, deze toestand kan ook worden vertoond door quasideeltjes, die geen werkelijke deeltjes zijn, maar collectieve microscopische excitaties in een systeem vertegenwoordigen en dus kunnen worden gebruikt om het systeem op een vereenvoudigde, maar zeer nuttige manier.

Magnonen, een soort quasideeltje dat zich manifesteert in magnetische materialen, zijn collectieve excitaties afkomstig van elektronen in een kristal. Magnons kunnen normaal gesproken tussen verschillende locaties in het kristal springen; echter, in sommige verbindingen en onder invloed van een magnetisch veld, ze kunnen vast komen te zitten in een soort catch-22 situatie, wat resulteert in starre kristalliniteit. Dit is een zeer interessant kwantumfenomeen genaamd "magnonkristallisatie, " waarin de magnons zich in een "gefrustreerde" staat zouden bevinden.

Om dit eigenaardige effect te onderzoeken, een team van wetenschappers onder leiding van Prof. Hidekazu Tanaka van Tokyo Tech werkte aan het karakteriseren van de magnetische excitaties die optreden in een magnetische isolator, Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ kl ₂ . Ze voerden neutronenverstrooiingsexperimenten uit, waarin neutronenstralen werden afgevuurd op Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ kl ₂ kristallen met verschillende energieën en hoeken om de eigenschappen van de kristallen te bepalen. Op basis van de resultaten van deze experimenten, het team toonde aan dat magnonkristallisatie optreedt in Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ kl ₂ en schreef de oorsprong van deze geordende toestand toe aan de fundamentele elektronische interacties in het materiaal, vanuit een kwantummechanisch perspectief. "Tot voor kort, experimentele studies over magnon-kristallisatie zijn beperkt tot de Shastry-Sutherland-verbinding SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ , en deze studie is een poging om dit fascinerende kwantumfenomeen in een ander materiaal te onderzoeken, " merkt prof. Tanaka op.

Het begrijpen van de ordening van magnonen en hun effecten op de micro- en macroscopische magnetische eigenschappen van kristallen zou onderzoekers waardevol inzicht kunnen verschaffen om de fysica van gecondenseerde materie te correleren met de principes van de kwantummechanica. "Dit werk laat zien dat zeer gefrustreerde kwantummagneten speelplaatsen bieden voor interactie met kwantumdeeltjes, " concludeert prof. Tanaka. Aanvullende studies zijn nodig om de Ba . beter te begrijpen ₂ CoSi ₂ O ₆ kl ₂ systeem en een diepere voet aan de grond krijgen in de kwantummechanica en de mogelijke toepassingen ervan.