Κβαντική Φυσική: Επιστήμονες παρατηρούν μια νέα σπάνια κατάσταση ύλης – ένα κβαντικό υγρό σπιν

Μια νέα και σπάνια κατάσταση ύλης, γνωστή ως κβαντικό υγρό σπιν πραγματοποιήθηκε εμπειρικά σε ένα απλό κρύσταλλο ένωσης ασβεστίου-οξειδίου του χρωμίου, από μια επιστημονική ομάδα του κέντρου Helmholtz στο Βερολίνο και τη Δρέσδη. Αυτό που είναι αξιοσημείωτο σχετικά με αυτή την ανακάλυψη είναι ότι σύμφωνα με τη συμβατική αντίληψη, ένα κβαντικό υγρό σπιν δεν θα ήταν δυνατό σε αυτό το υλικό. Τώρα αναπτύσσεται μια θεωρητική εξήγηση για τις παρατηρήσεις αυτές. Η εργασία, θεωρείται ότι διευρύνει τη γνώση μας για την συμπυκνωμένη ύλη και μπορεί να είναι επίσης σημαντική για μελλοντικές εξελίξεις στην κβαντική πληροφορική. Τα αποτελέσματα της εργασίας μόλις έχουν δημοσιευθεί στο Nature Physics.

Με βάση την καθημερινή εμπειρία, περιμένουμε η ύλη σε χαμηλές θερμοκρασίες να στερεοποιείται με τα άτομα να σταθεροποιούνται με μια κανονική διευθέτηση. Οι μαγνητικές ροπές που προκύπτουν από τα ατομικά ηλεκτρονικά σπιν σε μαγνητικά υλικά, επίσης, καταλήγουν σε ηρεμία και σταθεροποιούνται ως προς τον προσανατολισμό καθώς πέφτει η θερμοκρασία. Ωστόσο, υπάρχουν μερικές σπάνιες εξαιρέσεις. Σε ότι αναφέρεται ως κβαντικό υγρό σπιν, οι προσανατολισμοί των ηλεκτρονικών σπιν παραμένουν μεταβλητοί ακόμη και αν οι θερμοκρασίες είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν. Σύμφωνα με την συμβατική αντίληψη, το φαινόμενο αυτό μπορεί να συμβεί εάν τα σπιν διευθετούνται γεωμετρικώς σε τρίγωνα και εάν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους είναι αντι-σιδηρομαγνητικές ευνοώντας αντιπαράλληλη ευθυγράμμιση των σπιν.

Για τρία άτομα που συνιστούν τις κορυφές των γωνιών ενός τριγώνου, τα ηλεκτρονικά σπιν αυτών των ατόμων δεν μπορούν ταυτόχρονα να είναι προσανατολισμένα αντιπαράλληλα σε σχέση με τα άλλα. Αυτή η «ανατροπή» μπορεί να εμποδίζει τα σπιν να περιπέσουν σε ηρεμία σε ένα ορισμένο προσανατολισμό ακόμη και στη θερμοκρασία μηδέν – αντιθέτως κινούνται όπως τα άτομα σε ένα υγρό. Ωστόσο, σε πολλά υλικά η «ανατροπή» μπορεί να ξεπεραστεί από μια μαγνητική εντολή, που προκαλείται ακόμη και από τις παραμικρές αλληλεπιδράσεις. Για τους λόγους αυτούς, μόνο λίγα ισοτροπικά υλικά προτάθηκαν ως υποψήφια υγρά-σπιν.

Ένα τμήμα από το κρυσταλλικό πλέγμα ασβεστίου-οξειδίου του χρωμίου που δείχνει πώς τα σπιν υπόκεινται σε ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις. Στο μοντέλο οι πράσινες και κόκκινες ράβδοι που συνδέουν τα άτομα (γκρι και μαύρες σφαίρες) αναπαριστούν σιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ενώ οι μπλε ράβδοι αναπαριστούν αντι-σιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. (Εικόνα-Helmholtz-Zentrum-Berlin)

Μονοκρύσταλλοι με σύνθετες μαγνητικές αλληλεπιδράσεις

Μια διεθνής ομάδα φυσικών, με επικεφαλής την καθηγήτρια Bella Lake από το κέντρο Helmholtz στο Βερολίνο – και με επιπλέον συναδέλφους από τα κέντρα Helmholtz στο Βερολίνο (HZB) και τη Δρέσδη (HZDR) -παρήγαγαν και ερεύνησαν τους πρώτους απλούς κρυστάλλους ασβεστίου-οξειδίου του χρωμίου (Ca10Cr7O28). Τα άτομα στους κρυστάλλους αυτούς διευθετούνται κατά τρόπο που είναι γνωστός ως πλέγμα Kagomé – που θυμίζει το μοτίβο των τριγώνων και εξάγωνων στην Ιαπωνική καλαθοποιία.

Ως αποτέλεσμα, σε αυτά τα υλικά αναπτύσσεται ένα περίπλοκο σύνολο ισοτροπικών μαγνητικών αλληλεπιδράσεων, που συνίσταται από όχι μόνο αντι-σιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, αλλά επίσης περισσότερο ισχυρότερες σιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις που σύμφωνα με την συμβατική αντίληψη θα πρέπει να εμποδίζουν την ύπαρξη συμπεριφοράς υγρού σπιν. Εντούτοις, μαγνητικά και πειράματα σκέδασης νετρονίων που έγιναν σε Γερμανία, Γαλλία, Αγγλία και ΗΠΑ, καθώς και πειράματα φασματοσκοπίας μυονίου που έγιναν στην Ελβετία, έχουν δείξει ότι τα σπιν σε αυτά τα δείγματα διατηρούν τη συλλογική τους κίνηση ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες έως και 20 millikelvin και συμπεριφέρονται όπως ένα κβαντικό υγρό σπιν.

Η εμπειρική απόδειξη αυτών των κβαντικών καταστάσεων με εξαιρετικό ενδιαφέρον, όπως τα υγρά σπιν, μπορούν επίσης να συμβούν και σε αρκετά πιο περίπλοκους κρυστάλλους με διαφορετικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις, λένε οι επιστήμονες, οι οποίοι θεωρούν ότι τα στοιχεία από τα πειράματα θα βοηθήσουν τους θεωρητικούς φυσικούς να διευρύνουν το θεωρητικό μοντέλο των υγρών σπιν. Όπως εξηγούν, η διεύρυνση της κατανόησής μας για τα μαγνητικά υλικά και η δυνατότητα ύπαρξης περισσοτέρων υποψηφίων για υγρά σπιν, από ότι αναμένονταν, θα μπορούσαν να είναι σημαντικά για την εξέλιξη των κβαντικών υπολογιστών στο μέλλον, επειδή τα υγρά σπιν είναι ένα από τα πιθανά δομικά στοιχεία – φορείς των μικρότερων μονάδων της κβαντικής πληροφορίας, γνωστά και ως qubit.

Πηγή: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf

Περισσότερα στην δημοσίευση: Physical realization of a quantum spin liquid based on a complex frustration mechanism. Nature Physics.