Naukowcy znaleźli dowody na dziwny stan materii zwany kwantową cieczą spinową w materiale znanym jako pirochlor cynian ceru.
W tym tajemniczym stanie cząstki magnetyczne nie układają się w ustalony wzór, ale pozostają w ciągłym ruchu, nawet w ekstremalnie niskich temperaturach. Naukowcy wykorzystali zaawansowane narzędzia, takie jak rozpraszanie neutronów i modele teoretyczne, aby wykryć niezwykłe zachowanie magnetyczne, które zachowuje się jak fale świetlne. Ten przełom może doprowadzić do nowych odkryć w fizyce i przyszłych technologiach, takich jak obliczenia kwantowe.
Kwantowe płyny wirujące
Fizycy od dawna spekulują na temat istnienia rzadkiego stanu materii zwanego kwantową cieczą spinową. W tym stanie cząstki magnetyczne nie chcą się ułożyć w uporządkowany sposób, nawet przy absolutne zero temperatura. Zamiast tego pozostają w stale zmieniającym się, splątanym stanie, napędzanym dziwnymi zasadami mechaniki kwantowej. Stwarza to niezwykłe właściwości, które przypominają podstawowe interakcje we wszechświecie, takie jak zachowanie światła i materii. Pomimo potencjalnego znaczenia udowodnienie istnienia kwantowych cieczy spinowych w drodze eksperymentów jest niezwykle trudne.
Przełomowe odkrycie
W niedawnym badaniu opublikowanym w Fizyka Przyrodymiędzynarodowy zespół badaczy, w skład którego wchodzili fizycy eksperymentalni ze Szwajcarii i Francji oraz eksperci teoretyczni z Kanady i USA, odkryli dowody na istnienie tego tajemniczego stanu kwantowego w materiale zwanym cynianem ceru pirochloru. Połączyli najnowocześniejsze techniki eksperymentalne, takie jak rozpraszanie neutronów w ultraniskich temperaturach, z zaawansowaną analizą teoretyczną. Badając sposób, w jaki neutrony oddziałują magnetycznie ze spinami elektronów w pirochlorze, odkryli zbiorowe wzbudzenia spinowe zachowujące się jak fale świetlne, co potwierdza obecność kwantowej cieczy spinowej.
Postępy w rozpraszaniu neutronów
„Kwazicząstki materii ułamkowej, od dawna budowane według teorii w kwantowych cieczach spinowych, wymagały znacznego postępu w rozdzielczości eksperymentalnej, aby można je było w przekonujący sposób przetestować na tego typu materiałach” – powiedział Romain Sibille, lider zespołu eksperymentalnego w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii. „Właściwy eksperyment rozpraszania neutronów przeprowadzono na wysoce wyspecjalizowanym spektrometrze w Instytucie Laue-Langevin w Grenoble we Francji, co pozwoliło nam uzyskać dane o niezwykle wysokiej rozdzielczości”.
„Rozpraszanie neutronów to sprawdzone narzędzie do analizy zachowania spinów w magnesach” – dodał Andriy Nevidomskyy, profesor fizyki i astronomii w Rice, który przeprowadził analizę teoretyczną uzyskanych danych. „Bardzo trudno jest jednak wymyślić jednoznaczny podpis „dymiącego pistoletu”, który dowodziłby, że materiał zawiera kwantową ciecz wirową”.
Rzeczywiście, A Badanie Nevidomskyy z 2022 r pokazało, że zawężenie modelu teoretycznego w celu niezawodnego opisu eksperymentu nie jest łatwe i wymaga numerycznego sprawdzenia parametrów modelu i dopasowania go do wielu eksperymentów.
Spinony i frakcjonowanie
W mechanice kwantowej elektrony posiadają właściwość zwaną spinem, która zachowuje się jak miniaturowy magnes sztabkowy. Kiedy wiele elektronów oddziałuje, ich spiny zwykle są wyrównane lub przeciwne (ustawione w przeciwnym kierunku). Jednakże rozmieszczenie pewnych struktur krystalicznych, takich jak pirochlory, może zakłócić którykolwiek z tych układów. Zjawisko to, zwane „frustracją magnetyczną”, uniemożliwia stabilizację spinów w konwencjonalny porządek, tworząc warunki, w których mechanika kwantowa może objawiać się w niezwykły sposób, łącznie z pojawieniem się kwantowych cieczy spinowych.
„Pomimo swojej nazwy, kwantowe ciecze spinowe występują w materiałach stałych” – powiedział Nevidomskyy, który od lat bada kwantową teorię sfrustrowanych magnesów.
Nevidomskyy wyjaśnił, że frustracja geometryczna w kwantowej cieczy spinowej jest tak poważna, że elektrony zamiast tego tworzą kwantowo-mechaniczną superpozycję, która skutkuje płynnymi korelacjami między spinami elektronów, tak jakby spiny były zanurzone w cieczy.
Frakcjonalizacja i elektrodynamika kwantowa
„Co więcej, elementarne wzbudzenia nie są pojedynczym spinem zmieniającym swój kierunek z góry na dół i odwrotnie” – powiedział Nevidomskyy. „Zamiast tego są to dziwaczne, zdelokalizowane obiekty, które niosą ze sobą połowę jednego stopnia swobody obrotu; nazywamy je spinonami. Zjawisko to, gdy pojedynczy obrót spinowy dzieli się na dwie połowy, nazywa się frakcjonacją.
Koncepcja frakcjonowania i zrozumienie, w jaki sposób powstałe cząstki ułamkowe oddziałują ze sobą, były kluczem do badań przeprowadzonych w ramach tej współpracy eksperymentalnej i teorii. Można uważać, że spinony mają ładunek magnetyczny, a interakcja między dwiema takimi cząstkami przypomina odpychanie się elektrycznie naładowanych elektronów.
„Na poziomie kwantowym elektrony oddziałują ze sobą, emitując i pochłaniając kwanty światła zwane fotonami. Podobnie w kwantowej cieczy spinowej interakcję między spinonami opisuje się w kategoriach wymiany kwantów świetlnych” – powiedział Nevidomskyy.
Ta analogia łączy badanie kwantowych cieczy spinowych z elektrodynamiką kwantową (QED), teorią opisującą interakcję elektronów poprzez wymianę fotonów i stanowiącą podstawę Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Podobnie teoria kwantowych magnesów pirochlorowych opisuje spinony jako oddziałujące poprzez powstające „fotony”. Jednak w przeciwieństwie do QED w naszym wszechświecie, gdzie światło przemieszcza się ze stałą prędkością, powstające „światło” w tych magnesach jest znacznie wolniejsze – około 100 razy wolniejsze niż prędkość spinonów. Ta wyraźna różnica prowadzi do fascynujących zjawisk, takich jak promieniowanie Czerenkowa i zwiększone prawdopodobieństwo wytworzenia pary cząstka-antycząstka. W połączeniu z uzupełniającymi badaniami przeprowadzonymi przez grupę fizyków z Uniwersytetu w Toronto, odkrycia te dostarczyły jednoznacznych dowodów na interakcje podobne do QED w danych eksperymentalnych.
„To bardzo ekscytujące widzieć, że trudny eksperyment i pełen oddania wysiłek teoretyków doprowadziły do takich wniosków” – stwierdziła Sibille.
Przyszłe badania i zastosowania
Badanie dostarcza jednych z najwyraźniejszych jak dotąd dowodów eksperymentalnych na kwantowe stany cieczy spinowej i ich ułamkowe wzbudzenia. Potwierdza, że materiały takie jak cynian ceru mogą zawierać te egzotyczne fazy materii, które są nie tylko fascynujące dla fizyki podstawowej, ale mogą również mieć konsekwencje dla technologii kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe. Wyniki sugerują również, że być może będziemy w stanie dostroić te materiały do badania różnych zjawisk kwantowych, takich jak istnienie cząstek podwójnych, co otworzy drzwi do przyszłych badań.
Cząstki podwójne, zwane wizonami, różnią się od spinonów tym, że niosą ładunek elektryczny, a nie magnetyczny. Przypominają teoretyczne monopole magnetyczne zaproponowane po raz pierwszy prawie sto lat temu przez pioniera mechaniki kwantowej Paula Diraca, który przewidział ich kwantyzację. Chociaż nigdy nie zaobserwowano monopoli magnetycznych i teoretycy wysokich energii uważają je za wysoce nieprawdopodobne, pomysł ten pozostaje urzekającym aspektem współczesnej fizyki.
„Po tym odkryciu poszukiwanie dowodów na istnienie cząstek monopolopodobnych we wszechświecie-zabawce utworzonej ze spinów elektronów w kawałku materiału jest jeszcze bardziej ekscytujące” – powiedział Nevidomskyy.
Odniesienie: „Dowody na materię cząstkową sprzężoną z wyłaniającym się polem pomiarowym w kwantowym lodzie spinowym” autorstwa Victora Porée, Han Yana, Félixa Desrochersa, Sylvaina Petita, Elsy Lhotel, Markusa Appela, Jacquesa Olliviera, Yong Baek Kima, Andriya H. Nevidomskyya i Romain Sibille, 12 grudnia 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02711-w
Badania były wspierane przez Szwajcarską Narodową Fundację Naukową (RS i wiceprezes, grant nr 200021_179150), Wydział Badań Materiałowych amerykańskiej Narodowej Fundacji Naukowej w ramach nagrody DMR-1917511 (HY i AHN) oraz Radę ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynieryjnych z siedzibą w Kanada (FD i YB.K.).
