Νέα κατάσταση της ύλης εντοπίστηκε από τους ερευνητές σε υλικό δυο διαστάσεων

Μια μυστήρια νέα κατάσταση της ύλης, που προβλέφτηκε πριν από 40 χρόνια, φαίνεται πως έχει εντοπιστεί σε πραγματικό υλικό από μια διεθνή ομάδα ερευνητών. Η κατάσταση αυτή, γνωστή ως κβαντικό υγρό σπιν (quantum spin liquid), αναγκάζει τα ηλεκτρόνια – που θεωρούνται ότι είναι αδιαίρετα δομικά στοιχεία της φύσης – να διασπώνται σε κομμάτια. Οι ερευνητές, στους οποίους περιλαμβάνονται και φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Cambridge, μέτρησαν τα πρώτα στοιχεία-υπογραφές από αυτά τα κλασματικά σωμάτια, γνωστά ως φερμιόνια Majorana, σε υλικό δύο διαστάσεων με δομή παρόμοια με αυτή του γραφένιου. Τα πειραματικά τους αποτελέσματα ταιριάζουν με επιτυχία με ένα από τα κύρια θεωρητικά μοντέλα για ένα κβαντικό υγρό σπιν, που είναι γνωστό ως μοντέλο Kitaev.

Τα κβαντικά υγρά σπιν (QSLs) είναι μυστηριώδεις κβαντικές καταστάσεις της ύλης που θεωρείται πως «κρύβονται» σε ορισμένα μαγνητικά υλικά, αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί με καθοριστικό τρόπο στη φύση. Η παρατήρηση μιας από τις πλέον χαρακτηριστικές τους ιδιότητες – αυτή του διαχωρισμού ή της κλασματοποίησης του ηλεκτρονίου – σε πραγματικά υλικά αποτελεί μια σημαντική εξέλιξη. Τα παραγόμενα φερμιόνια Majorana μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δομικοί λίθοι των κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θα μπορούσαν να είναι μακράν πολύ ταχύτεροι από τους συμβατικούς υπολογιστές και θα μπορούσαν να είναι ικανοί να εκτελέσουν υπολογισμούς που δεν θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν διαφορετικά.

Σε ένα τυπικό μαγνητικό υλικό το κάθε ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται όπως ένας πάρα πολύ μικρός ραβδωτός μαγνήτης. Όταν ένα τέτοιο υλικό ψυχθεί σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία τα μικρά «μαγνητάκια» θα τακτοποιηθούν μόνα τους κατά μεγάλες περιοχές, έτσι που όλα τα «μαγνητάκια» του νότιου μαγνητικού πόλου, για παράδειγμα, να δείχνουν στην ίδια κατεύθυνση. Σε αντίθεση, σε ένα υλικό που περιέχει μια κατάσταση με υγρό σπιν, ακόμη και αν το υλικό ψυχθεί στο απόλυτο μηδέν, τα μικρά ραβδωτά «μαγνητάκια» δεν θα ευθυγραμμιστούν, αλλά θα σχηματίσουν μια συσχετιζόμενη σούπα που προκαλείται από κβαντικές διακυμάνσεις.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τεχνικές σκέδασης νετρονίων για να αναζητήσει πειραματικά στοιχεία της κλασματοποίησης σε χλωριούχο ρουθήνιο (ΙΙΙ) στην φάση α- [σε αυτή τη φάση του χλωριούχο ρουθήνιο είναι ένα καφέ στερεό] (α-RuCl3). Οι ερευνητές έλεγξαν τις μαγνητικές ιδιότητες πούδρας του α-RuCl3 «φωτίζοντάς» το με νετρόνια και παρατηρώντας τα μοτίβα των κυματισμών που παράγονταν από τα νετρόνια σε μια οθόνη, όταν σκεδάζονταν από το δείγμα.

Ένα κανονικός μαγνήτης θα δημιουργούσε διακριτές αιχμηρές γραμμές, αλλά υπήρχε το πρόβλημα τι είδους μοτίβο θα δημιουργούσαν το φερμιόνια Majorana σε ένα κβαντικό υγρό σπιν. Η θεωρητική πρόβλεψη των διακριτών σημάτων-υπογραφών που έγινε το 2014, ταιριάζει πολύ με τις ευρείες καμπυλότητες, αντί των αιχμηρών γραμμών, που οι πειραματιστές παρατήρησαν στην οθόνη, παρέχοντας για πρώτη φορά άμεσες αποδείξεις ενός κβαντικού υγρού σπιν και την κλασματοποίηση των ηλεκτρονίων σε ένα δισδιάστατο υλικό.

«Είναι ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση εκ μέρους μας της κβαντικής ύλης», δήλωσε ένας από τους συντελεστές του πειράματος. «Είναι όμορφο να έχεις άλλη μια νέα κβαντική κατάσταση την οποία δεν είχες δει προηγουμένως. Μας εξοπλίζει με νέες δυνατότητες να δοκιμάσουμε νέα πράγματα».

Πηγή: University of Cambridge

Περισσότερα στη μελέτη: Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet, Nature Materials