Een nieuwe ontdekking onder leiding van Princeton University zou ons begrip van hoe elektronen zich onder extreme omstandigheden in kwantummaterialen gedragen, kunnen verbeteren. De bevinding levert experimenteel bewijs dat deze bekende bouwsteen van materie zich gedraagt ​​alsof hij uit twee deeltjes bestaat:een deeltje dat het elektron zijn negatieve lading geeft en een ander dat zijn magneetachtige eigenschap levert, bekend als spin.

"We denken dat dit het eerste harde bewijs is van scheiding van spinladingen, " zei Nai Phuan Ong, Princeton's Eugene Higgins Professor of Physics en senior auteur van het artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfysica .

De experimentele resultaten vervullen een voorspelling die tientallen jaren geleden is gedaan om een ​​van de meest verbijsterende toestanden van materie te verklaren, de kwantumspinvloeistof. In alle materialen, de spin van een elektron kan zowel naar boven als naar beneden wijzen. In de bekende magneet, alle spins wijzen uniform in één richting door het monster wanneer de temperatuur onder een kritische temperatuur daalt.

Echter, in spinvloeibare materialen, de spins zijn niet in staat om een ​​uniform patroon vast te stellen, zelfs niet wanneer ze zeer dicht bij het absolute nulpunt worden afgekoeld. In plaats daarvan, de spins veranderen voortdurend in een strak gecoördineerde, verstrengelde choreografie. Het resultaat is een van de meest verstrengelde kwantumtoestanden ooit bedacht, een toestand die van groot belang is voor onderzoekers op het groeiende gebied van quantum computing.

Om dit gedrag wiskundig te beschrijven, Nobelprijswinnaar Princeton-natuurkundige Philip Anderson (1923-2020), die in 1973 voor het eerst het bestaan ​​van spinvloeistoffen voorspelde, een verklaring voorgesteld:in het kwantumregime kan een elektron worden beschouwd als samengesteld uit twee deeltjes, een met de negatieve lading van het elektron en de andere met zijn spin. Anderson noemde het spin-bevattende deeltje een spinon.

In deze nieuwe studie het team zocht naar tekenen van de spinon in een spinvloeistof bestaande uit ruthenium- en chlooratomen. Bij temperaturen van een fractie van een Kelvin boven het absolute nulpunt (of ongeveer -452 graden Fahrenheit) en in aanwezigheid van een hoog magnetisch veld, rutheniumchloridekristallen komen in de spinvloeistof terecht.

Afgestudeerde student Peter Czajka en Tong Gao, doctoraat 2020, verbond drie zeer gevoelige thermometers met het kristal in een bad dat op temperaturen dicht bij het absolute nulpunt Kelvin werd gehouden. Vervolgens pasten ze het magnetische veld en een kleine hoeveelheid warmte toe op één kristalrand om de thermische geleidbaarheid te meten, een grootheid die uitdrukt hoe goed het een warmtestroom geleidt. Als spinons aanwezig waren, ze zouden moeten verschijnen als een oscillerend patroon in een grafiek van de thermische geleidbaarheid versus het magnetische veld.

Het oscillerende signaal waarnaar ze op zoek waren, was klein - slechts een paar honderdsten van een graad - dus de metingen vereisten een buitengewoon nauwkeurige controle van de monstertemperatuur en zorgvuldige kalibratie van de thermometers in het sterke magnetische veld.

Het team gebruikte de zuiverste beschikbare kristallen, die geteeld zijn in Oak Ridge National Laboratory (ORNL) onder leiding van David Mandrus, professor materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Tennessee-Knoxville, en Stephen Nagler, directeur van de afdeling kwantumgecondenseerde materie van ORNL. Het ORNL-team heeft de eigenschappen van kwantumspinvloeistof van rutheniumchloride uitgebreid bestudeerd.

In een reeks experimenten die gedurende bijna drie jaar werden uitgevoerd, Czajka en Gao detecteerden temperatuurschommelingen die consistent zijn met spinons met een steeds hogere resolutie, het bewijs leveren dat het elektron is samengesteld uit twee deeltjes in overeenstemming met de voorspelling van Anderson.

"Mensen zijn al vier decennia op zoek naar deze handtekening, "Ong zei, "Als deze bevinding en de spinon-interpretatie worden gevalideerd, het zou het veld van kwantumspinvloeistoffen aanzienlijk vooruithelpen."

Czajka en Gao hebben afgelopen zomer de experimenten bevestigd terwijl ze onder COVID-beperkingen stonden, waardoor ze maskers moesten dragen en sociale afstand moesten bewaren.

"Van de puur experimentele kant, "Czajka zei, "Het was opwindend om resultaten te zien die in feite de regels overtreden die je leert in elementaire natuurkundelessen."