Het is niet elke dag dat iemand een nieuwe staat van materie tegenkomt in de kwantumfysica, het wetenschappelijke veld dat zich toelegt op het beschrijven van het gedrag van atomaire en subatomaire deeltjes om hun eigenschappen te verduidelijken.

Toch is dit precies wat een internationaal team van onderzoekers, waaronder Andrea Bianchi, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Montreal en onderzoeker bij de Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, en zijn studenten Avner Fitterman en Jérémi Dudemaine heeft gedaan.

In een recent artikel gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschriftPhysical Review X , documenteren de onderzoekers een "quantum spin vloeibare grondtoestand" in een magnetisch materiaal gemaakt in het laboratorium van Bianchi:Ce₂ Zr₂ O₇ , een verbinding die bestaat uit cerium, zirkonium en zuurstof.

Als een vloeistof opgesloten in een extreem koude vaste stof

In de kwantumfysica is spin een interne eigenschap van elektronen die verband houden met hun rotatie. Het is spin die het materiaal in een magneet zijn magnetische eigenschappen geeft.

In sommige materialen resulteert spin in een ongeorganiseerde structuur die lijkt op die van moleculen in een vloeistof, vandaar de uitdrukking 'spinvloeistof'.

Over het algemeen wordt een materiaal meer ongeorganiseerd naarmate de temperatuur stijgt. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer water in stoom verandert. Maar het belangrijkste kenmerk van spinvloeistoffen is dat ze ongeorganiseerd blijven, zelfs wanneer ze worden afgekoeld tot het absolute nulpunt (–273°C).

Spinvloeistoffen blijven ongeorganiseerd omdat de draairichting blijft fluctueren terwijl het materiaal wordt afgekoeld in plaats van te stabiliseren in een vaste toestand, zoals bij een conventionele magneet, waarin alle spins zijn uitgelijnd.

De kunst van het 'frustreren' van elektronen

Stel je een elektron voor als een klein kompas dat naar boven of naar beneden wijst. In conventionele magneten zijn de elektronenspins allemaal in dezelfde richting georiënteerd, omhoog of omlaag, waardoor een zogenaamde "ferromagnetische fase" ontstaat. Hierdoor blijven foto's en notities aan je koelkast vastgemaakt.

Maar in kwantumspinvloeistoffen zijn de elektronen gepositioneerd in een driehoekig rooster en vormen ze een "ménage à trois" die wordt gekenmerkt door intense turbulentie die hun volgorde verstoort. Het resultaat is een verstrengelde golffunctie en geen magnetische orde.

"Wanneer een derde elektron wordt toegevoegd, kunnen de elektronenspins niet worden uitgelijnd, omdat de twee naburige elektronen altijd tegengestelde spins moeten hebben, wat leidt tot wat we magnetische frustratie noemen," legde Bianchi uit. "Dit genereert excitaties die de wanorde van spins en dus de vloeibare toestand in stand houden, zelfs bij zeer lage temperaturen."

Dus hoe hebben ze een derde elektron toegevoegd en zo'n frustratie veroorzaakt?

Een ménage à trois maken

Voer de gefrustreerde magneet Ce₂ . in Zr₂ O₇ gemaakt door Bianchi in zijn lab. Aan zijn toch al lange lijst van prestaties bij het ontwikkelen van geavanceerde materialen zoals supergeleiders, kunnen we nu 'meester in de kunst van frustrerende magneten' toevoegen.

Ce₂ Zr₂ O₇ is een op cerium gebaseerd materiaal met magnetische eigenschappen. "Het bestaan ​​van deze verbinding was bekend," zei Bianchi. "Onze doorbraak was om het in een unieke pure vorm te maken. We gebruikten monsters die in een optische oven waren gesmolten om een ​​bijna perfecte driehoekige rangschikking van atomen te produceren en controleerden vervolgens de kwantumtoestand."

Het was deze bijna perfecte driehoek die Bianchi en zijn team bij UdeM in staat stelde magnetische frustratie te creëren in Ce₂ Zr₂ O₇ . In samenwerking met onderzoekers van McMaster en Colorado State University, Los Alamos National Laboratory en het Max Planck Institute for the Physics of Complex System in Dresden, Duitsland, hebben ze de magnetische diffusie van de verbinding gemeten.

"Onze metingen toonden een overlappende deeltjesfunctie - dus geen Bragg-pieken - een duidelijk teken van de afwezigheid van klassieke magnetische orde", zei Bianchi. "We hebben ook een verdeling van spins met continu fluctuerende richtingen waargenomen, wat kenmerkend is voor spinvloeistoffen en magnetische frustratie. Dit geeft aan dat het materiaal dat we hebben gemaakt zich bij lage temperaturen gedraagt ​​​​als een echte spinvloeistof."

Van droom tot realiteit

Na deze waarnemingen te hebben bevestigd met computersimulaties, concludeerde het team dat ze inderdaad getuige waren van een nooit eerder vertoonde kwantumtoestand.

"Het identificeren van een nieuwe kwantumtoestand van materie is een droom die uitkomt voor elke natuurkundige", zei Bianchi. "Ons materiaal is revolutionair omdat we de eersten zijn die hebben aangetoond dat het inderdaad als spinvloeistof kan worden gepresenteerd. Deze ontdekking zou de deur kunnen openen naar nieuwe benaderingen bij het ontwerpen van kwantumcomputers."

Gefrustreerde magneten in een notendop

Magnetisme is een collectief fenomeen waarbij de elektronen in een materiaal allemaal in dezelfde richting draaien. Een alledaags voorbeeld is de ferromagneet, die zijn magnetische eigenschappen dankt aan de uitlijning van spins. Naburige elektronen kunnen ook in tegengestelde richting draaien. In dit geval hebben de spins nog steeds goed gedefinieerde richtingen, maar is er geen magnetisatie. Gefrustreerde magneten zijn gefrustreerd omdat de naburige elektronen hun spins in tegengestelde richtingen proberen te oriënteren, en wanneer ze zich in een driehoekig rooster bevinden, kunnen ze zich niet langer vestigen op een gemeenschappelijke, stabiele opstelling. Het resultaat:een gefrustreerde magneet. + Verder verkennen

Computationeel speurwerk bevestigt eerste 3D quantum spin-vloeistof