Onderzoekers verleggen al meer dan een eeuw de grenzen van de kwantumwereld. En keer op keer, spin is een rijke bron van nieuwe fysica geweest.

draaien, zoals massa en elektrische lading, is een intrinsieke eigenschap van kwantumdeeltjes. Het is van cruciaal belang om te begrijpen hoe kwantumobjecten zullen reageren op een magnetisch veld, en het verdeelt alle kwantumobjecten in twee typen. De half gehele getallen, zoals het spin-1/2 elektron, weigeren dezelfde kwantumtoestand te delen, terwijl de integere, zoals het spin-1 foton, geen probleem om gezellig samen te zijn. Dus, spin is essentieel bij het graven in vrijwel elk onderwerp dat wordt beheerst door de kwantummechanica, van het Higgs-deeltje tot supergeleiders.

Maar na bijna een eeuw een centrale rol te hebben gespeeld in kwantumonderzoek, vragen over spin blijven. Bijvoorbeeld, waarom hebben alle elementaire deeltjes die we kennen alleen spinwaarden van 0, 1/2, of 1? En welk nieuw gedrag zou er kunnen bestaan ​​voor deeltjes met spinwaarden groter dan 1?

De eerste vraag kan een kosmisch mysterie blijven, maar er zijn mogelijkheden om de tweede te verkennen. Binnenkant van een materiaal, De omgeving van een deeltje kan ervoor zorgen dat het zich gedraagt ​​alsof het een nieuwe spinwaarde heeft. In de afgelopen paar jaar, onderzoekers hebben materialen ontdekt waarin elektronen zich gedragen alsof hun spin omhoog is geduwd, van 1/2 tot 3/2. JQI-postdoctoraal onderzoeker Igor Boettcher verkende het nieuwe gedrag dat deze spins zouden kunnen produceren in een recent artikel op de omslag van Physical Review Letters.

In plaats van naar een bepaald materiaal te kijken, Boettcher concentreerde zich op de wiskunde die interacties tussen spin-3/2-elektronen bij lage temperaturen beschrijft. Deze elektronen kunnen op meer manieren interageren dan hun alledaagse spin-1/2 tegenhangers, die nieuwe fasen ontgrendelt - of collectief gedrag - waar onderzoekers naar kunnen zoeken in experimenten. Boettcher doorzocht de mogelijke fasen, zoeken naar degenen die waarschijnlijk stabiel zijn bij lage temperaturen. Hij keek naar welke fasen de minste energie opslorpen in de interacties, omdat naarmate de temperatuur daalt, een materiaal het meest stabiel wordt in de vorm die de minste energie bevat (zoals stoom die condenseert tot vloeibaar water en uiteindelijk bevriest tot ijs).

Hij vond drie veelbelovende fasen om op te jagen in experimenten. Welke van deze fasen, indien van toepassing, ontstaan ​​in een bepaald materiaal zal afhangen van zijn unieke eigenschappen. Nog altijd, De voorspellingen van Boettcher geven onderzoekers signalen om op te letten tijdens experimenten. Als een van de fasen zich vormt, hij voorspelt dat gemeenschappelijke meettechnieken een kenmerkende verschuiving in de elektrische eigenschappen zullen onthullen.

Het werk van Boettcher is een vroege stap in de verkenning van spin-3/2-materialen. Hij hoopt dat het veld ooit vergelijkbaar zal zijn met dat van grafeen, met onderzoekers die constant racen om nieuwe fysica te verkennen, materialen van betere kwaliteit produceren, en nieuwe transporteigenschappen te identificeren.

"Ik hoop echt dat dit zich zal ontwikkelen tot een groot veld, waarvoor zowel experimentatoren als theoretici hun deel zullen moeten doen, zodat we echt iets kunnen leren over de spin-3/2-deeltjes en hoe ze op elkaar inwerken.' zegt Boettcher. 'Dit is op dit moment nog maar het begin, omdat deze materialen net opdoken."