Znanstveniki odkrivajo novo stanje snovi: Quantum Spin Liquid

Fiziki iz nacionalnega laboratorija Oak Ridge v Tennesseeju in Univerze v Cambridgeu so skupaj odkrili novo stanje snovi. Prelomne ugotovitve, o katerih so poročali v reviji Narava, podrobno opažanje dolgo teoretiziranega, a vedno izmuzljivega stanja, znanega kot "kvantna spinska tekočina" - v katerem se elektroni na videz zlomijo na manjše kose.

"To je novo kvantno stanje snovi, ki je bilo napovedano, vendar še ni bilo vidno," je dejal Johannes Knolle, znanstvenik v laboratoriju Cavendish v Cambridgeu in eden od soavtorjev članka v sporočilu za javnost.

Vsakdo, ki ima osnovno znanje o fiziki, ve, da obstajajo tri glavna stanja snovi: trdne snovi, tekočine in plini. Ljudje z malo bolj znanim znanjem lahko poznajo druga dva klasična stanja: plazme (proste naelektrene delce, ki sestavljajo visoko energetske dogodke) in koloide ("med beteni" tvorijo dve državi naenkrat, kot maslo).

Vendar pa obstaja več kot ducat drugih držav, ki obstajajo, tiste, ki so vidne le pri zelo majhnih lestvicah ali pod zelo fenomenalnimi dogodki. Eden od teh je kvantna spin tekočina: kaotično stanje, ki zahteva malo več razlage, preden lahko resnično spravite glavo v to, kar se dogaja.

Glede na kvantno mehaniko lahko vsak delec pokaže dve vrsti kotnega momenta. Prva je orbitalna kotna količina, druga pa vrtenje. Surova analogija za ta dva dejanja je planet, ki se vrti okoli sonca in ima tako orbito kot osno vrtenje.

Ko je sistem dosegel vrsto interakcijskih kvantnih vrtljajev, se domneva, da je v neurejenem stanju na enak način kot tekoča voda neurejena v primerjavi s trdnim ledom. Kvantna spinska tekočina ima podobno obnašanje, vendar pri nizkih temperaturah. Namesto, da bi se združili v enoten vzorec, na primer, da bi spojili snov v trdnem stanju, bo kos snovi, ki je v kvantni tekočini, še naprej neredno deloval kot vroča nered juhe. Dejstvo je, da je aktivnost tako ekstremna, da se delci dejansko razpadejo. To je prizor, ki je v nasprotju s tem, kar bi pričakovali v hladnem okolju.

V tem primeru je raziskovalna skupina opazila frakcijske delce, znane kot Majorana fermioni, v dvodimenzionalnem materialu, ki je podoben grafenu. Ugotovili so, da je podoben hipotetičnemu modelu kvantnega spina, ki je znan kot Kitajev model. Rezultati končno pomenijo konec 40-letnega iskanja tega stanja snovi.

Natančneje, nova opazovanja s kvantno spinsko tekočino osvetljujejo lastnost, ki je znana kot delitev elektronov, ki bi lahko nekega dne pomagala pri gradnji novih vrst kvantnih računalnikov, ki delujejo hitreje kot današnji stroji, tako da se izognejo omejitvam konvencionalnih materialov.

Takšen preboj je desetletja v prihodnost. Vendar samo dejstvo, da smo lahko opazovali novo stanje snovi v mesu, je le še en znak, da ljudje še niso opraskali površine, da bi razumeli, kako deluje naravni svet.