Naukowcy zaobserwowali niezwykły stan kwantowy. To pierwszy taki przypadek w historii

Międzynarodowy zespół naukowców odkrył nowy stan materii w materiale magnetycznym znanym jako Ce2Zr2O7. Jest to związek składający się z ceru, cyrkonu i tlenu.

Szczegółowe ustalenia w tej sprawie są już dostępne na łamach Physical Review X. Publikacja wyjaśnia, że Ce2Zr2O7 jest materiałem na bazie ceru o właściwościach magnetycznych. Jak wyjaśnia Andrea Bianchi z Uniwersytetu w Montrealu, istnienie tego związku było znane, lecz przełomowe okazało się w tym przypadku stworzenie go w wyjątkowo czystej postaci.

Czytaj też: Mechanika kwantowa i mutacje DNA – co je łączy?

W tym celu Bianchi i jego współpracownicy wykorzystali próbki stopione. Umożliwiło to uzyskanie niemal idealnie trójkątnego układu atomów. Następnie naukowcy sprawdzili stan kwantowy materiału. To właśnie wspomniany trójkątny układ umożliwił wytworzenie tzw. frustracji magnetycznej w Ce2Zr2O7. Dzięki międzynarodowej współpracy członkowie zespołu zmierzyli dyfuzję magnetyczną tego związku.

Spin z perspektywy kwantowej jest wewnętrzną właściwością elektronów związaną z ich rotacją. To on nadaje materiałom właściwości magnetyczne i może prowadzić do powstania nieuporządkowanej struktury podobnej do struktury cząsteczek w cieczy. Właśnie z tego tytułu wzięło się określenie znane jako ciecz spinowa. Wraz ze wzrostem temperatury materiał staje się bardziej zdezorganizowany, co może mieć miejsce na przykład w razie zmiany wody w parę wodną.

Stan kwantowy zaobserwowany przez naukowców nie był wcześniej znany

Główną cechą cieczy spinowych jest jednak coś innego: pozostają zdezorganizowane nawet po schłodzeniu do temperatury bliskiej zera absolutnego. Jak to możliwe? Wszystko za sprawą zmiany kierunku spinu w miarę chłodzenia materiału. W przypadku magnesów, w których spiny są wyrównane, przebiegałoby to inaczej: doszłoby bowiem do ustabilizowania w stanie stałym.

Kiedy dodawany jest trzeci elektron, spiny elektronów nie mogą się wyrównać, ponieważ dwa sąsiednie elektrony muszą mieć zawsze przeciwne spiny, co powoduje coś, co określa się mianem frustracji magnetycznej. Generuje to wzbudzenia, które utrzymują nieuporządkowanie spinów, a tym samym stan ciekły, nawet w bardzo niskich temperaturach.

wyjaśnia Bianchi

Czytaj też: Materiały 2.5D mają spory potencjał. Gdzie można je wykorzystać?

Po tym, jak udało się potwierdzić wykonane obserwacje za sprawą symulacji komputerowych, autorzy badań w tej sprawie mogli oficjalnie ogłosić, że udało im się zidentyfikować nieznany wcześniej stan kwantowy. Jak dodają, ich materiał jest rewolucyjny, ponieważ może występować jako ciecz spinowa. To z kolei powinno ułatwić projektowanie komputerów kwantowych.