De toekomst van technologie hangt af, voor een groot deel, op nieuwe materialen, maar het werk van de ontwikkeling van die materialen begint jaren voordat er een specifieke toepassing voor bekend is. Stefan Wilson, een professor in materialen aan het UC Santa Barbara's College of Engineering, werkt in dat "lang voordat" rijk, op zoek naar nieuwe materialen die wenselijke nieuwe toestanden vertonen.

In het artikel "Field-tunable quantum wanordelijke grondtoestand in het driehoekige rooster antiferromagneet NaYbO ₂ , " gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , Wilson en collega's Leon Balents, van het Kavli Instituut voor Theoretische Fysica van de campus, en Mark Sherwin, een professor in het departement Natuurkunde, beschrijven hun ontdekking van een lang gezochte "quantum spin vloeibare toestand" in het materiaal NaYbO ₂ (natriumytterbiumoxide). De studie werd geleid door materiaalstudent Mitchell Bordelon en er waren ook natuurkundestudenten Chunxiao Liu bij betrokken, Marzieh Kavand en Yuanqi Lyu, en student scheikunde Lorenzo Posthuma, evenals medewerkers aan het Boston College en aan het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology.

Op atomair niveau, elektronen in de roosterstructuur van een materiaal gedragen zich anders, zowel individueel als collectief, van die in een ander materiaal. specifiek, de "draai, " of het intrinsieke magnetische moment van het elektron (vergelijkbaar met een aangeboren staafmagneet) en zijn neiging om te communiceren en te coördineren met de magnetische momenten van nabijgelegen elektronen verschilt per materiaal. Het is bekend dat verschillende soorten spinsystemen en collectieve patronen van ordening van deze momenten voorkomen , en materiaalwetenschappers zijn altijd op zoek naar nieuwe, inclusief die waarvan verondersteld is, maar waarvan nog niet is aangetoond dat ze bestaan.

"Er zijn bepaalde, meer klassieke momenten die je met een zeer hoge mate van zekerheid laten weten dat de spin in een bepaalde richting wijst, " legde Wilson uit. "In die, de kwantumeffecten zijn klein. Maar er zijn bepaalde momenten waarop de kwantumeffecten groot zijn, en je kunt de spin niet precies oriënteren, dus er is onzekerheid die we 'kwantumfluctuatie' noemen."

Quantum magnetische toestanden zijn die waarin het magnetisme van een materiaal voornamelijk wordt aangedreven door dergelijke kwantumfluctuaties, algemeen afgeleid van het onzekerheidsprincipe, intrinsiek aan magnetische momenten. "Dus, je stelt je een magnetisch moment voor, maar het onzekerheidsprincipe zegt dat ik dat niet perfect in één richting kan oriënteren, ’ merkte Wilson op.

De kwantumspin vloeibare toestand uitleggen, dat lang geleden werd voorgesteld en het onderwerp is van dit artikel, Wilson zei, "In conventionele materialen, de magnetische momenten praten met elkaar en willen zich ten opzichte van elkaar oriënteren om een ​​of ander patroon van orde te vormen." In klassieke materialen, deze orde wordt verstoord door thermische schommelingen, wat Wilson beschrijft als "gewoon warmte uit de omgeving".

"Als het materiaal warm genoeg is, het is niet-magnetisch, wat betekent dat de momenten een beetje door elkaar gegooid zijn ten opzichte van elkaar, "legde hij uit. "Als het materiaal eenmaal is afgekoeld, de momenten beginnen te communiceren, zodanig dat hun onderlinge verbinding de thermische fluctuaties overtreft en ze een geordende toestand vormen. Dat is klassiek magnetisme."

Maar de dingen zijn anders in de kwantumwereld, en magnetische momenten die fluctueren, kunnen in feite de inherente "grondtoestand" van een materiaal zijn.

"Dus, je kunt je afvragen of er een magnetische toestand is waarin de momenten niet bevriezen of een patroon van langeafstandsorde ten opzichte van elkaar vormen, niet door thermische schommelingen, maar in plaats daarvan, door kwantumfluctuaties, Wilson zei. "Kwantumfluctuaties worden relevanter naarmate een materiaal afkoelt, terwijl thermische fluctuaties toenemen naarmate het warmer wordt, dus je wilt een magneet vinden die niet bestelt totdat je hem voldoende koel kunt krijgen, zodat de kwantumfluctuaties hem uitsluiten ooit te bestellen."

Die kwantumstoornis is wenselijk omdat het wordt geassocieerd met verstrengeling, de kwantummechanische kwaliteit die het mogelijk maakt om kwantuminformatie te coderen. Om te bepalen of NaYbO2 die eigenschap zou kunnen vertonen, moesten de onderzoekers de intrinsieke, of grondtoestand van de magnetische momenten van het materiaal wanneer alle thermische fluctuaties zijn verwijderd. In dit specifieke systeem Wilson kon experimenteel vaststellen dat de magnetische momenten intrinsiek fluctuerend zijn, ongeordende staat, daarmee bevestigend dat er een kwantum wanordelijke toestand bestaat.

Om de veronderstelde toestand te vinden, zei Wilson, "Eerst moet je zeer kwantummagnetische momenten in een materiaal stoppen, maar je materiaal moet zo geconstrueerd zijn dat de momenten niet willen bestellen. Dat doe je door het principe van 'magnetische frustratie' te gebruiken."

Een simpele manier om dat te bedenken, volgens Wilson, is om je een enkele driehoek voor te stellen in de roosterstructuur van het materiaal. "Laten we zeggen dat ik mijn materiaal zo bouw dat de magnetische momenten zich allemaal op een driehoekig rooster bevinden, " hij zei, "en ze praten allemaal met elkaar op een manier waardoor ze antiferromagnetisch willen oriënteren, of antiparallel, naar elkaar."

In die regeling, elk aangrenzend moment op de driehoek wil antiparallel aan zijn buurman oriënteren. Maar omdat er een oneven aantal punten is, je hebt er een omhoog op het ene punt en een omlaag (antiparallel aan het eerste) op het tweede punt, wat betekent dat het derde moment aan elke kant een ander georiënteerd moment heeft, dus hij weet niet wat hij moet doen. Alle momenten concurreren met elkaar.

"Dat is magnetische frustratie, en, zoals het blijkt, het verlaagt de temperatuur waarop de momenten eindelijk een regeling kunnen vinden waar ze het allemaal over eens zijn, "zei Wilson. "Dus, bijvoorbeeld, klassiek, de natuur besluit dat op een bepaalde temperatuur de niet-overeenkomende momenten overeenkomen dat ze allemaal naar 120 graden ten opzichte van elkaar wijzen. Dus ze zijn niet allemaal 100 procent gelukkig, maar het is een compromis dat een geordende staat tot stand brengt."

Vanaf daar, hij voegde toe, "Het idee is om een ​​gefrustreerd rooster te nemen waar je de geordende staat al hebt onderdrukt, en voeg er kwantumfluctuaties aan toe, die het overnemen als je het materiaal afkoelt. Magnetische frustratie verlaagt de ordeningstemperatuur voldoende zodat kwantumfluctuaties het uiteindelijk overnemen en het systeem kan stabiliseren in een fundamenteel ongeordende kwantumspintoestand."

Wilson vervolgde:"Dat is het paradigma van waar mensen naar op zoek zijn; sommige materialen lijken deze staat te vertonen terwijl ze in werkelijkheid dat doen ze niet. Bijvoorbeeld, alle echte materialen hebben wanorde, zoals een chemische of structurele stoornis, en dit kan ook voorkomen dat de magnetische momenten effectief met elkaar praten en geordend worden. In zo'n geval, Wilson zegt, "Ze kunnen een wanordelijke toestand vormen, maar het is meer een bevroren, of statisch, wanordelijke toestand dan dat het een dynamische kwantumtoestand is.

"Dus, als ik een magnetisch systeem heb dat niet bestelt bij de laagste temperaturen die ik kan meten, het kan lastig zijn om te proberen te begrijpen of wat ik meet een intrinsieke kwantumspinvloeistof is, fluctuerend type toestand of een bevroren, extrinsiek, chemisch gedreven wanordelijke toestand. Daar wordt altijd over gediscussieerd."

Een van de meest interessante bevindingen over dit nieuwe materiaal, Wilson zei, is dat zelfs bij de laagst meetbare temperatuur - 0,005 graden Celsius boven het absolute nulpunt - het nog steeds niet ordent.

"Echter, in dit materiaal kunnen we ook een magnetisch veld aanleggen, die deze competitie, veroorzaakt door magnetische frustratie, doorbreekt, en dan kunnen we het op bestelling rijden, het induceren van een speciaal soort antiferromagnetische toestand, " voegde hij eraan toe. "De reden dat dat belangrijk is, is omdat deze speciale toestand zeer delicaat is en een zeer goede vingerafdruk voor hoeveel chemische wanorde er in het systeem is en de invloed ervan op de magnetische grondtoestand. Het feit dat we deze veldgestuurde toestand kunnen aansturen, vertelt ons dat de wanordelijke toestand die we zien bij lage temperatuur zonder magnetisch veld, inderdaad een intrinsiek kwantum wanordelijke toestand is, consistent met het zijn van een kwantumspin vloeibare toestand."