1973, natuurkundige en later Nobelprijswinnaar Philip W. Anderson stelde een bizarre toestand van materie voor:de kwantumspinvloeistof (QSL). In tegenstelling tot de alledaagse vloeistoffen die we kennen, de QSL heeft eigenlijk te maken met magnetisme - en magnetisme heeft te maken met spin.

Ongeordende elektronenspin produceert QSL's

Wat maakt een magneet? Het was een langdurig mysterie, maar vandaag weten we eindelijk dat magnetisme voortkomt uit een eigenaardige eigenschap van subatomaire deeltjes, zoals elektronen. Die eigenschap heet "spin, ’ en de beste – maar toch schromelijk onvoldoende – manier om erover na te denken, is als speelgoed met een tol voor een kind.

Wat belangrijk is voor magnetisme is dat spin elk van de miljarden elektronen van een materiaal verandert in een kleine magneet met zijn eigen magnetische "richting" (denk aan de noord- en zuidpool van een magneet). Maar de elektronenspins zijn niet geïsoleerd; ze interageren op verschillende manieren met elkaar totdat ze stabiliseren om verschillende magnetische toestanden te vormen, waardoor het materiaal waartoe ze behoren magnetische eigenschappen krijgt.

In een conventionele magneet, de op elkaar inwerkende spins stabiliseren, en de magnetische richtingen van elk elektron worden uitgelijnd. Dit resulteert in een stabiele formatie.

Maar in wat bekend staat als een "gefrustreerde" magneet, de elektronenspins kunnen niet in dezelfde richting stabiliseren. In plaats daarvan, ze fluctueren constant als een vloeistof - vandaar de naam 'quantum spin-vloeistof'.

Quantum spin-vloeistoffen in toekomstige technologieën

Het opwindende aan QSL's is dat ze in een aantal toepassingen kunnen worden gebruikt. Omdat ze in verschillende variëteiten met verschillende eigenschappen komen, QSL's kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers, telecommunicatie, supergeleiders, spintronica (een variant van elektronica die elektronenspin gebruikt in plaats van stroom), en tal van andere op kwantum gebaseerde technologieën.

Maar voordat ze worden misbruikt, we moeten eerst een goed begrip krijgen van QSL-staten. Om dit te doen, wetenschappers moeten manieren vinden om QSL's op aanvraag te produceren - een taak die tot nu toe moeilijk is gebleken, met slechts een paar materialen die worden aangeboden als QSL-kandidaten.

Een complex materiaal kan een complex probleem oplossen

Publiceren in PNAS , wetenschappers onder leiding van Péter Szirmai en Bálint Náfrádi in het laboratorium van László Forró aan de School of Basic Sciences van EPFL hebben met succes een QSL geproduceerd en bestudeerd in een zeer origineel materiaal dat bekend staat als EDT-BCO. Het systeem is ontworpen en gesynthetiseerd door de groep van Patrick Batail aan de Université d'Angers (CNRS).

De structuur van EDT-BCO maakt het mogelijk om een ​​QSL te maken. De elektronspins in de EDT-BCO vormen driehoekig georganiseerde dimeren, die elk een spin-1/2 magnetisch moment hebben, wat betekent dat het elektron twee keer volledig moet roteren om terug te keren naar zijn oorspronkelijke configuratie. De lagen spin-1/2 dimeren worden gescheiden door een subrooster van carboxylaatanionen gecentreerd door een chiraal bicyclo-octaan. De anionen worden "rotors" genoemd omdat ze conformationele en roterende vrijheidsgraden hebben.

De unieke rotorcomponent in een magnetisch systeem maakt het materiaal speciaal onder QSL-kandidaten, een nieuwe materiële familie vertegenwoordigen. "De subtiele wanorde veroorzaakt door de rotorcomponenten introduceert een nieuw handvat op het spinsysteem, ' zegt Szirmai.

De wetenschappers en hun medewerkers gebruikten een arsenaal aan methoden om de EDT-BCO te onderzoeken als een kandidaat voor QSL-materiaal:berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, hoogfrequente elektronenspinresonantiemetingen (een handelsmerk van Forró's laboratorium), nucleaire magnetische resonantie, en muon-spinspectroscopie. Al deze technieken onderzoeken de magnetische eigenschappen van EDT-BCO vanuit verschillende invalshoeken.

Alle technieken bevestigden de afwezigheid van magnetische orde op lange afstand en de opkomst van een QSL. Kortom, EDT-BCO voegt zich officieel bij de beperkte rangen van QSL-materialen en brengt ons een stap verder in de volgende generatie technologieën. Zoals Bálint Náfrádi het stelt:"Naast de geweldige demonstratie van de QSL-staat, ons werk is zeer relevant, omdat het een hulpmiddel biedt om extra QSL-materialen te verkrijgen via op maat ontworpen functionele rotormoleculen."