Door middel van experimenteel onderzoek heeft een team van natuurkundigen verbonden aan meerdere instellingen in China voor het eerst een materiaal in een supersolide fase van de materie waargenomen. In hun artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature beschrijft de groep de experimenten die ze hebben uitgevoerd om deze prestatie en de implicaties ervan te verwezenlijken. Natuur heeft in hetzelfde tijdschriftnummer een Research Briefing gepubliceerd waarin het werk wordt beschreven dat het team op dit gebied heeft verricht.

Een supervaste stof is een ogenschijnlijk tegenstrijdig materiaal:het wordt gedefinieerd als stijf, maar heeft ook een supervloeibaarheid, waarin een vloeistof zonder wrijving stroomt. In de jaren zeventig suggereerde theoretisch werk van Anthony Leggett dat dergelijk materiaal mogelijk zou kunnen zijn. Maar tot nu toe heeft niemand het in de natuur kunnen vinden of in het laboratorium kunnen synthetiseren.

Om een ​​supersolide te creëren, zijn de onderzoekers die bij dit nieuwe onderzoek betrokken waren, begonnen met een verbinding genaamd NBCP. Deze heeft de unieke eigenschap dat atomen in driehoekige roosters zijn gerangschikt. Dit betekent, zo ontdekte het onderzoeksteam, dat als het in een magnetisch veld wordt geplaatst, alle atomen in dezelfde richting zullen draaien.

Maar wanneer de magneet wordt verwijderd, proberen de atomen zich allemaal te oriënteren met een spin die tegengesteld is aan die van hun buurman, maar omdat ze in een driehoek zijn gerangschikt, ontstaat er 'frustratie' vanwege de beperkte mogelijke oriëntaties. Deze observatie suggereerde dat NBCP onder de juiste omstandigheden zou kunnen bestaan ​​als een supersolide.

Om de juiste omstandigheden te creëren, bouwden de onderzoekers een apparaat om het magnetocalorische effect te meten wanneer het materiaal werd blootgesteld aan een magnetisch veld, zonder angst voor hittelekken. Hierdoor konden ze de entropietoestand in kaart brengen, waardoor ze op hun beurt de spintoestanden van de atomen en hun overgangen konden detecteren. Ze vergeleken de bevindingen met theoretische berekeningen en stelden vast dat ze op de goede weg waren.

Vervolgens voerden ze neutronendiffractiemetingen uit en vergeleken deze met theoretische berekeningen, en vonden opnieuw overeenstemming. Samen lieten dergelijke metingen hen toe te concluderen dat ze een materiaal in zijn supervaste toestand hadden waargenomen.

Verwacht wordt dat de waarneming nieuwe mogelijkheden zal openen voor het bestuderen van kwantumfenomenen en het simuleren van nieuwe materialen.

Meer informatie: Junsen Xiang et al, Gigantisch magnetocalorisch effect in spin-supersolid-kandidaat Na2BaCo(PO4)2, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06885-w

Spin supersolid met gigantisch magnetocalorisch effect belooft een nieuwe route naar extreme afkoeling, de natuur (2024). DOI:10.1038/d41586-023-04102-2. www.nature.com/articles/d41586-023-04102-2

Journaalinformatie: Natuur

© 2024 Science X Netwerk