Het klinkt als een raadsel:wat krijg je als je twee kleine diamanten neemt, een klein magnetisch kristal ertussen zetten en ze heel langzaam samenknijpen?

Het antwoord is een magnetische vloeistof, wat contra-intuïtief lijkt. Vloeistoffen worden vaste stoffen onder druk, maar meestal niet andersom. Maar deze ongewone cruciale ontdekking, onthuld door een team van onderzoekers van de Advanced Photon Source (APS), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility bij DOE's Argonne National Laboratory, kan wetenschappers nieuwe inzichten bieden in supergeleiding bij hoge temperaturen en kwantumcomputers.

Hoewel wetenschappers en ingenieurs al tientallen jaren gebruik maken van supergeleidende materialen, het exacte proces waarmee supergeleiders bij hoge temperaturen elektriciteit geleiden zonder weerstand, blijft een kwantummechanisch mysterie. De veelbetekenende tekenen van een supergeleider zijn een verlies van weerstand en een verlies van magnetisme. Hoge-temperatuur-supergeleiders kunnen werken bij temperaturen boven die van vloeibare stikstof (-320 graden Fahrenheit), waardoor ze aantrekkelijk zijn voor verliesvrije transmissielijnen in elektriciteitsnetten en andere toepassingen in de energiesector.

Maar niemand weet echt hoe supergeleiders bij hoge temperaturen deze toestand bereiken. Deze kennis is nodig om de bedrijfstemperatuur van deze materialen te verhogen tot omgevingstemperatuur, iets dat nodig zou zijn voor een volledige implementatie van supergeleiders in energiebesparende elektriciteitsnetten.

Een idee dat in 1987 door wijlen theoreticus Phil Anderson van Princeton University naar voren werd gebracht, houdt in dat materialen in een kwantumspin vloeibare toestand worden gebracht, die Anderson voorstelde, zou kunnen leiden tot supergeleiding bij hoge temperaturen. De sleutel is de spins van de elektronen in elk van de atomen van het materiaal, die onder bepaalde omstandigheden in een toestand kunnen worden gebracht waarin ze 'gefrustreerd' raken en niet in staat zijn zichzelf in een geordend patroon te ordenen.

Om deze frustratie weg te nemen, elektron spinrichtingen fluctueren in de tijd, alleen uitlijnen met naburige spins voor korte tijdsperioden, als een vloeistof. Het zijn deze fluctuaties die kunnen helpen bij de vorming van elektronenparen die nodig zijn voor supergeleiding bij hoge temperaturen.

Druk biedt een manier om de scheiding tussen elektronenspins te "afstemmen" en een magneet in een gefrustreerde toestand te drijven waar magnetisme bij een bepaalde druk verdwijnt en een spinvloeistof ontstaat, volgens Daniël Haskel, de fysicus en groepsleider in Argonne's X-ray Science Division (XSD), die een onderzoeksteam door een reeks experimenten bij de APS leidde om precies dat te doen. Het team bestond uit Argonne assistent-fysicus Gilberto Fabbris en natuurkundigen Jong-Woo Kim en Jung Ho Kim, alles van XSD.

Haskel zegt voorzichtig dat de resultaten van zijn team, onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de kwantumaard van de spin-vloeistoftoestand niet overtuigend aantonen, waarin de atoomspins zelfs bij absolute nultemperaturen zouden blijven bewegen - meer experimenten zouden nodig zijn om dat te bevestigen.

Maar dat laten ze wel zien, door langzame en constante druk uit te oefenen, sommige magnetische materialen kunnen in een toestand worden geduwd die lijkt op een vloeistof, waarin de elektronenspins ontregeld raken en magnetisme verdwijnt, met behoud van de kristallijne rangschikking van de atomen die de elektronenspins huisvesten. Onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze een spinvloeistof hebben gemaakt, waarin de elektronenspins ongeordend zijn, maar weet niet zeker of die spins verstrengeld zijn, wat een teken zou zijn van een kwantumspinvloeistof.

Als dit een kwantumspinvloeistof is, Haskel zei, de mogelijkheid om er een te maken met deze methode zou grote gevolgen hebben.

"Sommige soorten kwantumspinvloeistoffen kunnen foutloze kwantumcomputers mogelijk maken, Haskel zei. "Een kwantumspinvloeistof is een superpositie van spintoestanden, fluctuerend maar verstrikt. Het is eerlijk om te zeggen dat dit proces, als het een kwantumspinvloeistof met kwantumsuperpositie zou creëren, zal een qubit hebben gemaakt, de basisbouwsteen van een kwantumcomputer."

Dus wat deed het team, en hoe hebben ze dat gedaan? Dat brengt ons terug bij de diamanten, onderdeel van een unieke proefopstelling bij het APS. Onderzoekers gebruikten twee diamanten aambeelden, op dezelfde manier gesneden als wat je in juwelierszaken zou zien, met een brede basis en een smallere, platte rand. Ze plaatsten de kleinere platte randen bij elkaar, een monster van magnetisch materiaal (in dit geval een strontium-iridiumlegering) tussen hen ingestoken, en geduwd.

"Het idee is dat als je het onder druk zet, het brengt de atomen dichter bij elkaar, "zei Fabbris. "En aangezien we dat langzaam kunnen doen, dat kunnen we continu doen, en we kunnen de eigenschappen van het monster meten als we in druk stijgen."

Als Fabbris zegt dat er langzaam druk werd uitgeoefend, hij maakt geen grapje - elk van deze experimenten duurde ongeveer een week, hij zei, met behulp van een monster van ongeveer 100 micron in diameter, of ongeveer de breedte van een dun vel papier. Omdat onderzoekers niet wisten bij welke druk magnetisme zou verdwijnen, ze moesten zorgvuldig meten bij elke zeer kleine toename.

En zie het verdwijnen, dat deden ze, bij ongeveer 20 gigapascal-gelijk aan 200, 000 sferen, of ongeveer 200 keer meer druk dan op de bodem van de Marianentrog in de Stille Oceaan, de diepste geul op aarde. De spins van de elektronen bleven gecorreleerd over korte afstanden, als een vloeistof, maar bleef ongeordend, zelfs bij temperaturen zo laag als 1,5 Kelvin (-457 graden Fahrenheit).

De truc, Haskel zei - en de sleutel tot het creëren van een spin-vloeibare toestand - was om de kristallijne orde en symmetrie van de atomaire rangschikking te behouden, aangezien het ongewenste effect van willekeurige wanorde in atomaire posities zou hebben geleid tot een andere magnetische toestand, een zonder de unieke eigenschappen van de spin vloeibare toestand. Haskel vergelijkt de elektronspins met buren op een stadsblok - als ze dichterbij komen, ze willen elkaar allemaal gelukkig maken, hun draairichting veranderen om overeen te komen met die van hun buren. Het doel is om ze zo dicht bij elkaar te krijgen dat ze onmogelijk al hun buren gelukkig kunnen houden, waardoor ze hun spin-interacties "frustreren", met behoud van de structuur van het stadsblok.

Het onderzoeksteam gebruikte de intense röntgenbeeldvormingsmogelijkheden van de APS om het magnetisme van het monster te meten, en volgens Haskel en Fabbris, de APS is de enige faciliteit in de Verenigde Staten waar een dergelijk experiment zou kunnen worden gedaan. Vooral, Fabbris zei, het vermogen om te focussen op één type atoom, alle anderen negerend, cruciaal was.

"De monsters zijn erg klein, en als je magnetisme probeert te meten met andere technieken in een universitair laboratorium, je pikt het magnetische signaal op van componenten in de diamanten aambeeldcel, Fabbris zei. "De metingen die we hebben gedaan zijn onmogelijk zonder een lichtbron zoals de APS. Het is hier uniek in staat."

Nu het team een ​​spin-vloeibare toestand heeft bereikt, wat is het volgende? Meer experimenten zijn nodig om te zien of er een kwantumspinvloeistof is ontstaan. Toekomstige experimenten zullen betrekking hebben op het onderzoeken van de aard van spindynamiek en correlaties directer in de spin-vloeistoftoestand. Maar de recente resultaten Haskel zei, een pad bieden voor het realiseren van deze ongrijpbare kwantumtoestanden, een die zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in supergeleiding en kwantuminformatiewetenschappen.

Haskel wees ook vooruit op de APS Upgrade, een enorm project waarbij de helderheid van het instrument wordt verhoogd tot 1, 000 keer. Dit, hij zei, zal veel dieper onderzoek naar deze fascinerende toestanden van materie mogelijk maken.

"Het is aan ieders verbeelding welke verrassende kwantummechanische effecten wachten om ontdekt te worden, " hij zei.