Ta “woda” nigdy nie zamarza. Odkryto nowy stan kwantowy

Międzynarodowy zespół naukowców odkrył nowy stan kwantowy. Można go porównać do wody, która nigdy nie zamarznie, niezależnie od tego, jak niska będzie temperatura.
Dokonano ważnego osiągnięcia w fizyce kwantowej /Fot. Unsplash,
Anton Maksimov 5642.su

Dokonano ważnego osiągnięcia w fizyce kwantowej /Fot. Unsplash,
Anton Maksimov 5642.su

Zespół uczonych z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) odkrył nowy stan kwantowy, który jest niepodobny do niczego, co znamy. Fizycy schłodzili specjalny materiał do temperatury bliskiej zera bezwzględnego (w niej ustaje wszelki ruch) i odkryli, że w takich warunkach atomy nie “zamarzały”, jak to zwykle bywa, ale pozostawały w stanie ciekłym. Opisano go w czasopiśmie Nature Physics.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Nowy stan kwantowy – jak niezamarzająca ciecz

Materiały kwantowe nie tylko wyglądają inaczej niż zwykłe substancje, ale także zachowują się odmiennie. W ich wnętrzu elektrony oddziałują z dużą intensywności, zarówno ze sobą nawzajem, jak i z atomami sieci krystalicznej. Ta interakcja przekłada się na potężne efekty kwantowe, które działają nie tylko w stali mikro, ale i makro. To nadaje materiałom kwantowym niezwykłych właściwości, np. zdolność przewodzenia prądu elektrycznego całkowicie bezstratnie w niskich temperaturach. Magnesy w zasadzie też można uznać za materiały kwantowe.

Pod pewnymi względami ich spiny mogą zachowywać się jak ciecz. Gdy temperatura spada, te nieuporządkowane spiny mogą następnie zamarzać, podobnie jak woda zamarza w lód. Pewien rodzaj magnesów, tzw. ferromagnetyki, są niemagnetyczne powyżej swojego punktu “zamrożenia”, a dokładniej uporządkowania. Dopiero gdy spadną poniżej niego, mogą stać się magnesami trwałymi. prof. Jochen Wosnitz z HZDR

Celem uczonych było stworzenie materiału, w którym atomy nie porządkują się, nawet w ultrazimnych temperaturach – podobnie jak w przypadku cieczy, która nigdy nie zamarznie. Aby osiągnąć ten stan, zmieszano trzy pierwiastki chemiczne: tlen, cyrkon i prazeodym. Powstały materiał wytworzył sieć krystaliczną, w której spiny elektronów oddziałują ze swoimi orbitalami w specyficzny sposób.

Kriostat, w którym uzyskano rekordowe 20 milikelwinów /Fot. HZDR
Warunkiem było jednak posiadanie kryształów o ekstremalnej czystości i jakości. Zajęło to kilka prób, ale w końcu udało się wyprodukować kryształy wystarczająco czyste dla eksperymentu. Stopniowo schłodziliśmy naszą próbkę do 20 milikelwinów – zaledwie 1/50 stopnia powyżej zera bezwzględnego. prof. Satoru Nakatsuji z Uniwersytetu Tokijskiego

Aby zobaczyć jak próbka zareagowała na ten proces chłodzenia i wewnątrz pola magnetycznego, zmierzyli jak bardzo zmieniła swoją długość. W innym eksperymencie grupa zarejestrowała, jak kryształ reaguje na fale ultradźwiękowe przesyłane bezpośrednio przez niego. Gdyby spiny uporządkowały się, powinno to było spowodować gwałtowną zmianę w zachowaniu kryształu, taką jak nagła zmiana długości. Niczego takiego nie zaobserwowano.

Wniosek jest taki, że silne oddziaływanie spinów i orbitali uniemożliwiło uporządkowanie, dlatego atomy pozostały w swoim płynnym stanie kwantowym. Zaobserwowano go po raz pierwszy w historii.