Afgezien van het diepgaande begrip van de natuurlijke wereld dat de kwantumfysica-theorie biedt, wetenschappers over de hele wereld streven naar een technologische revolutie door gebruik te maken van deze nieuwe kennis in technische toepassingen. Spintronica is een opkomend vakgebied dat tot doel heeft de grenzen van traditionele elektronica te overtreffen door gebruik te maken van de spin van elektronen, die ruwweg kan worden gezien als hun hoekrotatie, als een middel om informatie door te geven.

Maar het ontwerpen van apparaten die met spin kunnen werken, is buitengewoon uitdagend en vereist het gebruik van nieuwe materialen in exotische staten - zelfs sommige die wetenschappers niet volledig begrijpen en nog niet experimenteel hebben waargenomen. In een recente studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Tokyo University of Science, Japan, beschrijf een nieuw gesynthetiseerde verbinding met de formule KCu ₆ AlBiO ₄ (DUS ₄ ) ₅ Cl die de sleutel kan zijn voor het begrijpen van de ongrijpbare "quantum spin liquid (QSL)" toestand. Hoofdwetenschapper Dr. Masayoshi Fujihala legt zijn motivatie uit:"Het observeren van een QSL-toestand is een van de belangrijkste doelen in de fysica van de gecondenseerde materie en de ontwikkeling van nieuwe spintronische apparaten. de QSL-toestand in tweedimensionale (2-D) systemen is niet duidelijk waargenomen in echte materialen vanwege de aanwezigheid van wanorde of afwijkingen van ideale modellen."

Wat is de kwantumspin vloeibare toestand? In antiferromagnetische materialen onder specifieke temperaturen, de spins van elektronen komen van nature overeen met grootschalige patronen. In materialen in een QSL-staat, echter, de spins zijn ongeordend op een manier die vergelijkbaar is met hoe moleculen in vloeibaar water ongeordend zijn in vergelijking met kristallijn ijs. Deze stoornis komt voort uit een structureel fenomeen dat frustratie wordt genoemd, waarin er geen mogelijke configuratie van spins is die symmetrisch en energetisch gunstig is voor alle elektronen. KCu ₆ AlBiO ₄ (DUS ₄ ) ₅ Cl is een nieuw gesynthetiseerde verbinding waarvan de koperatomen zijn gerangschikt in een bepaald 2D-patroon dat bekend staat als het "vierkante kagome-rooster (SKL), " een regeling die naar verwachting een QSL-staat zal opleveren door frustratie. Professor Setsuo Mitsuda, co-auteur van de studie, stelt:"Het ontbreken van een modelverbinding voor het SKL-systeem heeft een dieper begrip van de spin-toestand belemmerd. Hierdoor gemotiveerd, we hebben KCu . gesynthetiseerd ₆ AlBiO ₄ (DUS ₄ ) ₅ kl, de eerste SKL antiferromagneet, en demonstreerde de afwezigheid van magnetische ordening bij extreem lage temperaturen - een QSL-toestand."

Echter, de verkregen experimentele resultaten konden niet worden gerepliceerd door theoretische berekeningen met een standaard "J ₁ -J ₂ -J ₃ SKL Heisenberg"-model. Deze benadering houdt rekening met de interacties tussen elk koperion in het kristalnetwerk en zijn naaste buren. Co-auteur Dr. Katsuhiro Morita legt uit:"Om te proberen de discrepantie te elimineren, we hebben een SKL-model berekend, rekening houdend met de volgende-dichtstbijzijnde-buur-interacties met behulp van verschillende sets parameters. Nog altijd, we konden de experimentele resultaten niet reproduceren. Daarom, om het experiment goed te begrijpen, we moeten het model berekenen met verdere interacties."

Deze onenigheid tussen experiment en berekeningen benadrukt de noodzaak om bestaande theoretische benaderingen te verfijnen, zoals co-auteur Prof Takami Tohyama concludeert:"Hoewel de SKL-antiferromagneet die we hebben gesynthetiseerd een eerste kandidaat is om SKL-magnetisme te onderzoeken, we moeten mogelijk interacties over een groter bereik overwegen om een ​​kwantumspinvloeistof in onze modellen te verkrijgen. Dit vertegenwoordigt een theoretische uitdaging om de aard van de QSL-staat te onthullen." Laten we hopen dat natuurkundigen erin slagen om deze uitdaging aan te gaan en ons weer een stap dichter bij de prachtige belofte van spintronica te brengen.