Odkryto nowy stan skupienia materiikwantową ciecz spinową. Jej istnienie przewidziano już ponad 40 lat temu, ale dopiero teraz została odkryta przez grupę naukowców z Uniwersytetu Cambridge.

Kwantowa ciecz spinowa

Kwantowa ciecz spinowa to stan skupienia materii, który występuje w niektórych materiałach magnetycznych. Po raz pierwszy wspominano o nim w latach 70. XX w., czyli ponad 40 lat temu, jednak dotąd nie był obserwowany w przyrodzie.

– Do niedawna nawet nie wiedzieliśmy jak eksperymentalna kwantowa ciecz spinowa miałaby wyglądać – twierdzi , jeden ze współautorów badań.

 

Dzielenie się elektronów

Jak podaje inny z autorów badań Johannes Knolle, w nowo odkrytym stanie skupienia materii elektrony rozpadają się na kawałki, pomimo, że jako cząstki elementarne są niepodzielne i do tej pory nigdy nie zaobserwowano takiego zjawiska. Cząsteczki na które się dzielą nazwano fermionami Majorany. Naukowcy po raz pierwszy zbadali cząstki w dwuwymiarowym materiale o strukturze podobnej do grafenu.

Wyniki eksperymentalnych badań naukowców z Uniwersytetu Cambridge pasują do jednego z głównych teoretycznych modeli kwantowej cieczy spinowej, znanego jako model Kitaev. Najnowsze odkrycie zostało szczegółowo opisane w czasopiśmie „Nature Materials”.

 

Badania fermionów Majorany

Zazwyczaj elektrony zachowują się jak maleńkie podłużne magnesy. Gdy materiał, w którym się znajdują zostaje odpowiednio schłodzony, cząsteczki układają się w określonym porządku, np. tak, że ich północne bieguny wskazują ten sam kierunek. Materiały zawierające ciecz spinową, nawet gdy są odpowiednio schłodzone, nie zachowują się tak samo. Nie są uporządkowane, tylko tworzą, jak określają to naukowcy: „splątaną zupę”.

Badacze wykorzystali do swoich badań ruten (pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych). Szukając naukowych dowodów na dzielenie się (frakcjonowanie) kryształów chlorku rutenu, naukowcy użyli techniki rozpraszania neutronów. Aby znaleźć powód splątania w badanym materiale, naukowcy badali jego właściwości magnetyczne. Oświetlali kryształy chlorku rutenu neutronami, w wyniku czego przez pole magnetyczne utworzył się wzór z wyraźnymi zmarszczkami.

 

„To ważny krok”

Magnes uformowałby wyraźne ostre linie, jednak nie wiadomo było jaki wzór stworzą fermiony Majorany w kwantowej cieczy spinowej. Okazało się, że cząstki stworzyły zmarszczki z szerokimi garbami, zamiast ostrych linii. Eksperyment potwierdził założenia naukowców, stanowiąc pierwsze bezpośrednie dowody na istnienie kwantowej cieczy spinowej i dzielenia się elektronów w dwuwymiarowym materiale.

– To ważny krok w zrozumieniu materii kwantowej – mówi Kovrizhin.

Obserwacja dzielenia się elektronów to wielki przełom. Wykorzystanie fermionów Majorany w komputerach kwantowych może sprawić, że będą one znacznie szybsze od tradycyjnych komputerów, dzięki czemu możliwe będzie wykonywanie bardzo skomplikowanych obliczeń i operacji.

 

Źródło: phys.org, wired.co.uk, sciencedaily.com, tvnmeteo

Polecane: