Een kwantumspinvloeistof is een toestand van materie waarin interacties van kwantumspins zelfs bij de laagste temperaturen niet op één lijn liggen, maar blijven ongeordend. Onderzoek naar deze toestand is al bijna 50 jaar aan de gang, maar of het echt bestaat, is nooit onomstotelijk bewezen. Een internationaal team onder leiding van natuurkundige prof.dr. Martin Dressel van de Universiteit van Stuttgart heeft nu voorlopig een einde gemaakt aan de droom van een kwantumspinvloeistof. Hoe dan ook, de zaak blijft spannend.

Als de temperatuur onder nul graden Celsius daalt, water verandert in ijs. Maar bevriest alles eigenlijk als je het maar voldoende afkoelt? In het klassieke beeld, materie wordt inherent vast bij lage temperaturen. Kwantummechanica kan, echter, deze regel breken. Daarom, heliumgas, bijvoorbeeld, kan vloeibaar worden bij -270 graden, maar nooit vast onder atmosferische druk:er is geen heliumijs.

Hetzelfde geldt voor de magnetische eigenschappen van materialen:bij voldoende lage temperaturen, de magnetische momenten die bekend staan ​​als 'spins', bijvoorbeeld, rangschikken zich zodanig dat ze tegenover/antiparallel aan hun respectievelijke buren zijn georiënteerd. Je kunt dit zien als pijlen die afwisselend op en neer wijzen langs een ketting of in een dambordpatroon. Het wordt frustrerend wanneer het patroon is gebaseerd op driehoeken:terwijl twee spins in tegengestelde richtingen kunnen worden uitgelijnd, de derde is altijd evenwijdig aan de ene en niet aan de andere - hoe je hem ook draait.

Voor dit probleem, kwantummechanica suggereert de oplossing dat de oriëntatie en binding van twee spins niet rigide zijn, maar de spins fluctueren. De gevormde toestand wordt een kwantumspinvloeistof genoemd waarin de spins een kwantummechanisch verstrengeld ensemble vormen. Dit idee werd bijna vijftig jaar geleden geopperd door de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Phil W. Anderson (1923-2020). Na tientallen jaren van onderzoek, slechts een handvol echte materialen blijft in de zoektocht naar deze exotische toestand van de materie. Als bijzonder veelbelovende 'kandidaat' werd een driehoekig rooster in een complexe organische verbinding overwogen, waarin geen magnetische orde met een regelmatig op-en-neerpatroon kon worden waargenomen, zelfs bij extreem lage temperaturen. Was dit het bewijs dat kwantumspinvloeistoffen echt bestaan?

Een probleem is dat het extreem uitdagend is om elektronenspins te meten tot zulke extreem lage temperaturen, vooral langs verschillende kristalrichtingen en in variabele magnetische velden. Alle eerdere experimenten hebben kwantumspinvloeistoffen slechts min of meer indirect kunnen onderzoeken, en hun interpretatie is gebaseerd op bepaalde aannames en modellen. Daarom, een nieuwe methode voor breedband-elektronenspinresonantiespectroscopie is gedurende vele jaren ontwikkeld aan het Institute of Physics 1 van de Universiteit van Stuttgart.

Met behulp van on-chip microgolflijnen, men kan de eigenschappen van de spins direct waarnemen tot enkele honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt. Daarbij, de onderzoekers ontdekten dat de magnetische momenten zich niet rangschikken in het patroon van boven naar beneden van een typische magneet, noch vormen ze een dynamische toestand die lijkt op een vloeistof. "In feite, we observeerden de spins in ruimtelijk gescheiden paren. Dus, onze experimenten hebben de droom van een kwantumspinvloeistof voor nu verbrijzeld, althans voor deze verbinding, " vat prof. Martin Dressel samen, hoofd van het Instituut voor Natuurkunde 1.

Maar ook al fluctueerden de paren niet zoals gehoopt, deze exotische grondtoestand van de materie heeft niets van zijn fascinatie voor de natuurkundigen verloren. "We willen onderzoeken of kwantumspinvloeistoffen detecteerbaar zijn in andere driehoekige roosterverbindingen of zelfs in totaal andere systemen zoals honingraatstructuren", Dressel schetst de volgende stappen. Echter, het kan ook zijn dat zo'n wanordelijk, dynamische toestand bestaat eenvoudigweg niet in de natuur. Misschien leidt elke vorm van interactie op de een of andere manier tot een regelmatige regeling als de temperatuur laag genoeg is. Spins vinden het leuk om te paren.