Badany materiał to związek chemiczny o nazwie o wzorze CeMgAl₁₁O₁₉. Przez pewien czas był on klasyfikowany jako tzw. kwantowa ciecz spinowa, czyli rzadki stan skupienia materii, w którym momenty magnetyczne atomów nie ustawiają się w uporządkowaną strukturę nawet w temperaturach bliskich zera absolutnego. Tego typu materiały są szczególnie interesujące dla fizyków, ponieważ mogą pomóc w zrozumieniu egzotycznych zjawisk kwantowych oraz w rozwoju przyszłych technologii, takich jak komputery kwantowe.
Czytaj też: Fizycy stworzyli katapultę, a teraz strzelają z niej elektronami. Zbliżają się do granic fizyki
W przypadku badanego materiału naukowcy zauważyli dwa kluczowe sygnały wskazujące na istnienie właśnie takiego stanu. Pierwszym była obserwacja ciągłego spektrum stanów energetycznych, a drugim brak uporządkowania magnetycznego. Oba te zjawiska są uznawane za charakterystyczne dla kwantowych cieczy spinowych. Jednak dokładniejsze analizy wykazały, iż rzeczywiste źródło tych właściwości jest inne.
Aby dokładniej zbadać materiał, naukowcy przeprowadzili eksperymenty z wykorzystaniem rozpraszania neutronów oraz innych zaawansowanych technik pomiarowych. Badania pokazały, że w strukturze kryształu dochodzi do nietypowej konkurencji pomiędzy dwoma rodzajami oddziaływań magnetycznych: ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi. W większości materiałów jeden z tych stanów dominuje, prowadząc do powstania uporządkowanej struktury magnetycznej. W tym przypadku granica między nimi okazała się wyjątkowo słaba.
W efekcie poszczególne jony magnetyczne w materiale mogą przyjmować różne konfiguracje. Część z nich zachowuje się jak w układzie ferromagnetycznym, a część jak w antyferromagnetycznym. Taka mieszanka powoduje brak globalnego uporządkowania magnetycznego i prowadzi do powstania wielu możliwych konfiguracji energetycznych. Właśnie to zjawisko sprawiło, iż materiał przez lata wyglądał w eksperymentach jak kwantowa ciecz spinowa.
Czytaj też: Nadciecze z kryształów czasu. Badania sugerują istnienie zadziwiającej formy materii kwantowej
Kluczowa różnica polega jednak na tym, że w prawdziwych materiałach kwantowych układ może przechodzić pomiędzy wieloma stanami dzięki efektom mechaniki kwantowej. W przypadku CeMgAl₁₁O₁₉ materiał wybiera jeden z dostępnych stanów o niskiej energii, lecz nie przechodzi dynamicznie pomiędzy nimi. Oznacza to, że obserwowane zjawiska nie są wynikiem procesów kwantowych, lecz szczególnej degeneracji stanów wynikającej z konkurujących oddziaływań magnetycznych. Według autorów badań jest to pierwszy opisany przykład takiego zachowania, które można traktować jako nowy typ stanu skupienia materii. Ich zdaniem podobne układy mogą istnieć również w innych materiałach i dotychczas mogły pozostawać niezauważone.
Źródło: Science Advances
