Badania prowadzone przez zespół z Rice University dotyczyły związku chemicznego cerowo-magnezowo-glinowego oznaczanego jako CeMgAl11O19. Materiał ten od dawna wzbudzał ogromne zainteresowanie, ponieważ posiadał dwie cechy typowe dla kwantowych cieczy spinowych. Po pierwsze, nie wykazywał uporządkowania magnetycznego nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Po drugie, generował kontinuum stanów energetycznych, co zwykle jest interpretowane jako sygnał działania zjawisk kwantowych.
Czytaj też: Dotychczas coś takiego widziałem jedynie w filmach. To hybryda mózgu z elektroniką
Kwantowe ciecze spinowe należą do najbardziej tajemniczych stanów skupienia materii. W klasycznych materiałach magnetycznych atomowe momenty magnetyczne ustawiają się w uporządkowany sposób: albo równolegle, jak w ferromagnetykach, albo naprzemiennie, jak w antyferromagnetykach. W cieczach spinowych taki porządek nigdy się nie pojawia. Spiny pozostają w ciągłym ruchu i fluktuacji, a materiał zachowuje się tak, jakby stale znajdował się pomiędzy wieloma możliwymi konfiguracjami jednocześnie. To właśnie dlatego fizycy wiążą te materiały z przyszłością komputerów kwantowych i nowych technologii obliczeniowych.
Problem polegał na tym, że CeMgAl11O19 tylko udawał taki stan. Dopiero szczegółowe eksperymenty z wykorzystaniem rozpraszania neutronów ujawniły, że obserwowane efekty mają całkowicie inne źródło. Naukowcy odkryli, iż materiał znajduje się na niezwykle delikatnej granicy pomiędzy oddziaływaniami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi. Zamiast przechodzić w autentyczny stan kwantowy, atomy wybierają jedną z wielu możliwych konfiguracji energetycznych i w niej pozostają.
Na pierwszy rzut oka wygląda to niemal identycznie jak zachowanie kwantowej cieczy spinowej. W rzeczywistości jednak mechanizm jest klasyczny, a nie kwantowy. Materiał nie oscyluje pomiędzy stanami zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej – po prostu posiada ogromną liczbę niemal równorzędnych konfiguracji energetycznych. To właśnie ta degeneracja stanów sprawia, że eksperymenty dawały wcześniej mylące wyniki.
Według autorów badań jest to coś, czego wcześniej nie obserwowano. Profesor Pengcheng Dai z Rice University stwierdził, że materiał “wybiera” jeden z wielu stanów niskoenergetycznych, tworząc sygnatury bardzo podobne do tych znanych z układów kwantowych, mimo że sam nie jest kwantową cieczą spinową. Badacze sugerują więc, że odkryli nowy, niekwantowy stan skupienia materii.
Czytaj też: Halo, kto schował prawa fizyki? Materiał odzyskał nadprzewodnictwo w zaskakujących okolicznościach
W praktyce konsekwencje mogą obejmować znacznie więcej niż tylko poprawienie klasyfikacji jednego materiału. Fizycy od lat intensywnie poszukują materiałów nadających się do wykorzystania w technologiach kwantowych. Jeśli niektóre związki potrafią skutecznie podszywać się pod egzotyczne stany kwantowe, część wcześniejszych interpretacji może wymagać ponownej analizy.
Od siebie dodam coś jeszcze: widzimy, jak bardzo współczesna fizyka oddala się od intuicyjnego obrazu świata. W ostatnich miesiącach pojawiło się kilka podobnych odkryć sugerujących, że materia potrafi zachowywać się w sposób wykraczający poza dotychczasowe modele teoretyczne. Naukowcy opisali między innymi materiały, w których topologiczne właściwości pojawiają się mimo zaniku klasycznego obrazu elektronu jako cząstki, a także układy wykazujące nowe typy efektów Halla w ultracienkich strukturach dwuwymiarowych. Coraz więcej wskazuje więc na to, że granica między fizyką klasyczną a kwantową może być znacznie bardziej złożona, niż sądziliśmy jeszcze kilka lat temu.
Źródło: Science Advances
