Naukowcy odkrywają nowy stan materii: Quantum Spin Liquid

Fizycy z Oak Ridge National Laboratory w Tennessee i University of Cambridge wspólnie odkryli nowy stan rzeczy. Przełomowe odkrycia, opisane w czasopiśmie Natura, wyszczególnij obserwacje długo teoretycznego, ale zawsze nieuchwytnego stanu znanego jako „kwantowa ciecz wirująca” - w której elektrony pozornie pękają na mniejsze kawałki.

„Jest to nowy kwantowy stan materii, który został przewidziany, ale nie został wcześniej zauważony” - powiedział Johannes Knolle, naukowiec z Cambridge Cavendish Laboratory i jeden ze współautorów tego artykułu w komunikacie prasowym.

Każdy, kto ma podstawową wiedzę z zakresu fizyki, wie, że istnieją trzy główne stany materii: ciała stałe, ciecze i gazy. Ludzie o nieco większej wiedzy mogą wiedzieć o dwóch innych klasycznych stanach: plazmie (cząstki o wolnym ładunku, które tworzą zdarzenia o dużej energii) i koloidach („w betweens” tworzą dwa stany jednocześnie, jak masło).

Istnieje jednak kilkanaście innych stanów, które można zaobserwować tylko w bardzo małych skalach lub w bardzo fenomenalnych wydarzeniach. Jedną z nich jest kwantowa ciecz wirująca: stan chaotyczny, który wymaga nieco więcej wyjaśnień, zanim naprawdę uda ci się rozwikłać to, co się dzieje.

Zgodnie z mechaniką kwantową każda cząstka może wykazywać dwa rodzaje momentu pędu. Pierwszy to orbitalny moment pędu, a drugi to spin. Surową analogią dla tych dwóch odpowiednich działań jest planeta obracająca się wokół Słońca, wykazująca zarówno orbitę, jak i spin osiowy.

Kiedy system osiągnął serię oddziałujących spinów kwantowych, uważa się, że jest w stanie nieuporządkowanym, w taki sam sposób, w jaki ciekła woda jest nieuporządkowana w porównaniu ze stałym lodem. Kwantowa ciecz wirująca ma podobne zachowanie, ale w niskich temperaturach. Zamiast spotykać się w jednolity wzór, na przykład w celu połączenia substancji w ciało stałe, kawałek materii w wirowaniu cieczy kwantowej będzie nadal działał chaotycznie jak gorący bałagan zupy. W rzeczywistości aktywność jest tak ekstremalna, że ​​cząstki faktycznie się rozpadają. To scena, która zaprzecza dokładnie temu, czego można oczekiwać w zimnym otoczeniu.

W tym przypadku zespół badawczy zaobserwował cząstki ułamkowe znane jako fermiony Majorany w dwuwymiarowym materiale, który jest podobny do grafenu. To, co zaobserwowali, było podobne do hipotetycznego kwantowego modelu cieczy spinowej znanego jako model Kitaeva. Wyniki ostatecznie kończą 40-letnie poszukiwania tego stanu rzeczy.

Dokładniej, nowe obserwacje kwantowej cieczy spinowej rzucają światło na właściwość znaną jako podział elektronów, która pewnego dnia może pomóc w konstruowaniu nowych rodzajów komputerów kwantowych, które działają szybciej niż dzisiejsze maszyny, omijając ograniczenia konwencjonalnych materiałów.

Ten rodzaj przełomu to dekady w przyszłość. Jednak sam fakt, że byliśmy w stanie zaobserwować nowy stan materii w ciele, jest kolejnym znakiem, że ludzie muszą jeszcze podrapać powierzchnię w zrozumieniu, jak działa świat przyrody.