Met behulp van een nieuwe techniek, wetenschappers die werken aan het National High Magnetic Field Laboratory, met het hoofdkantoor van de Florida State University, hebben bewijs gevonden voor een kwantumspinvloeistof, een toestand van materie die veelbelovend is als bouwsteen voor de kwantumcomputers van morgen.

Onderzoekers ontdekten het opwindende gedrag tijdens het bestuderen van de zogenaamde elektronenspins in de verbinding rutheniumtrichloride. Hun bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , laten zien dat elektronenspins interageren over het materiaal, effectief verlagen van de totale energie. Dit soort gedrag - consistent met een kwantumspinvloeistof - werd gedetecteerd in rutheniumtrichloride bij hoge temperaturen en in hoge magnetische velden.

Spin vloeistoffen, voor het eerst getheoretiseerd in 1973, blijft een mysterie. Ondanks dat sommige materialen veelbelovende tekenen vertonen voor deze toestand van de materie, het is uiterst uitdagend om het bestaan ​​ervan definitief te bevestigen. Echter, er is grote belangstelling voor omdat wetenschappers denken dat ze kunnen worden gebruikt voor het ontwerpen van slimmere materialen in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals kwantumcomputers.

Deze studie biedt sterke ondersteuning dat rutheniumtrichloride een spinvloeistof is, zei natuurkundige Kim Modic, een voormalige afgestudeerde student die werkte bij de MagLab's pulsed field-faciliteit en nu een assistent-professor is aan het Institute of Science and Technology Austria.

"Ik denk dat dit artikel een nieuw perspectief biedt op rutheniumtrichloride en een nieuwe manier laat zien om te zoeken naar kenmerken van spinvloeistoffen, " zei Modic, hoofdauteur van de krant.

Al decenia, natuurkundigen hebben de lading van een elektron uitgebreid bestudeerd, die elektriciteit vervoert, de weg vrijmaken voor vooruitgang in de elektronica, energie en andere gebieden. Maar elektronen hebben ook een eigenschap die spin wordt genoemd. Wetenschappers willen ook het spinaspect van elektronen gebruiken voor technologie, maar het universele gedrag van spins is nog niet volledig begrepen.

In simpele termen, elektronen kunnen worden gezien als draaiend om een ​​as, als een topje, in een bepaalde richting gericht. Bij magnetische materialen, deze spins sluiten op elkaar aan, hetzij in dezelfde of tegengestelde richting. Magnetisch bestellen genoemd, dit gedrag kan worden veroorzaakt of onderdrukt door temperatuur of magnetisch veld. Zodra de magnetische orde is onderdrukt, er zouden meer exotische toestanden van materie kunnen ontstaan, zoals kwantumspinvloeistoffen.

Op zoek naar een spinvloeistof, het onderzoeksteam ging in op rutheniumtrichloride. Zijn honingraatachtige structuur, met een draai op elke site, is als een magnetische versie van grafeen - een ander hot topic in de fysica van de gecondenseerde materie.

"Ruthenium is veel zwaarder dan koolstof, wat resulteert in sterke interacties tussen de spins, " zei MagLab-natuurkundige Arkady Shekhter, een co-auteur op het papier.

Het team verwachtte dat die interacties de magnetische frustratie in het materiaal zouden vergroten. Dat is een soort van 'drie bedrijven'-scenario waarin twee spins paren, de derde in een magnetische limbo achterlatend, die magnetische ordening dwarsboomt. die frustratie, het team veronderstelde, kan leiden tot een spin-vloeibare toestand. Hun gegevens bevestigden uiteindelijk hun vermoedens.

"Het lijkt erop dat, bij lage temperaturen en onder een aangelegd magnetisch veld, rutheniumtrichloride vertoont tekenen van het gedrag waarnaar we op zoek zijn, Modic zei. "De spins oriënteren zich niet alleen afhankelijk van de uitlijning van naburige spins, maar zijn eerder dynamisch - zoals wervelende watermoleculen - terwijl ze een zekere correlatie tussen hen behouden."

De bevindingen werden mogelijk gemaakt door een nieuwe techniek die het team ontwikkelde, genaamd resonante torsiemagnetometrie, die precies het gedrag van elektronenspins in hoge magnetische velden meet en zou kunnen leiden tot vele andere nieuwe inzichten over magnetische materialen, zei Modic.

"We hebben niet echt de werkpaardtechnieken of de analytische machinerie om de excitaties van elektronenspins te bestuderen, zoals we doen voor laadsystemen, "Modic zei. "De bestaande methoden vereisen doorgaans grote steekproeven, die mogelijk niet beschikbaar zijn. Onze techniek is zeer gevoelig en werkt op kleine, delicate monsters. Dit zou een game-changer kunnen zijn voor dit onderzoeksgebied."

Modic ontwikkelde de techniek als postdoctoraal onderzoeker en werkte vervolgens samen met MagLab-fysici Shekhter en Ross McDonald, een andere co-auteur op het papier, voor het meten van rutheniumtrichloride in sterke magnetische velden.

Hun techniek omvatte het monteren van rutheniumtrichloride-monsters op een cantilever ter grootte van een haarlok. Ze gebruikten een stemvork van kwarts - vergelijkbaar met die in een kwartskristalhorloge - om de cantilever in een magnetisch veld te laten trillen. In plaats van het te gebruiken om de tijd precies te bepalen, ze maten de trillingsfrequentie om de interactie tussen de spins in rutheniumtrichloride en het aangelegde magnetische veld te bestuderen. Ze deden hun metingen in twee krachtige magneten bij het Nationaal MagLab.

"Het mooie van onze aanpak is dat het een relatief eenvoudige opzet is, waardoor we onze metingen konden uitvoeren in zowel een 35-tesla resistieve magneet als een 65-tesla pulsed field-magneet, ' zei Modic.

De volgende stap in het onderzoek zal zijn om dit systeem te bestuderen in de MagLab's wereldrecord 100-tesla gepulseerde magneet.

"Dat hoge van een magnetisch veld zou ons in staat moeten stellen om de onderdrukking van de spinvloeistof direct waar te nemen, wat ons zal helpen nog meer te leren over de innerlijke werking van deze verbinding, ' zei Shechter.