Bortsett från den djupa förståelsen av den naturliga världen som kvantfysikkteorin erbjuder, forskare över hela världen strävar efter att åstadkomma en teknisk revolution genom att utnyttja denna nyvunna kunskap inom tekniska applikationer. Spintronics är ett framväxande område som syftar till att överskrida gränserna för traditionell elektronik genom att använda elektronens snurr, vilket ungefär kan ses som deras vinkelrotation, som ett sätt att överföra information.

Men utformningen av enheter som kan fungera med spin är extremt utmanande och kräver användning av nytt material i exotiska tillstånd - även några som forskare inte helt förstår och inte har observerat experimentellt än. I en ny studie publicerad i Naturkommunikation , forskare från Institutionen för tillämpad fysik vid Tokyo University of Science, Japan, beskriv en nysyntetiserad förening med formeln KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl som kan vara nyckeln till att förstå det svårfångade tillståndet "kvantspinnvätska (QSL)". Huvudvetaren Dr. Masayoshi Fujihala förklarar sin motivation:"Observation av ett QSL-tillstånd är ett av de viktigaste målen i kondensfysik såväl som utvecklingen av nya spintronic-enheter. Men QSL-tillståndet i tvådimensionella (2-D) system har inte tydligt observerats i verkliga material på grund av förekomsten av störningar eller avvikelser från idealmodeller. "

Vad är kvantspinnvätsketillståndet? I antiferromagnetiska material under specifika temperaturer, elektronernas snurr anpassas naturligtvis till storskaliga mönster. I material i ett QSL -tillstånd, dock, spinnen är oordnade på ett sätt som liknar hur molekyler i flytande vatten är oordnade i jämförelse med kristallin is. Denna störning härrör från ett strukturellt fenomen som kallas frustration, där det inte finns någon möjlig konfiguration av snurr som är symmetrisk och energiskt gynnsam för alla elektroner. KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl är en nysyntetiserad förening vars kopparatomer är arrangerade i ett särskilt 2-D-mönster som kallas "kvadratisk kagomegitter (SKL), "ett arrangemang som förväntas producera ett QSL -tillstånd genom frustration. Professor Setsuo Mitsuda, medförfattare till studien, säger:"Avsaknaden av en modellförening för SKL -systemet har hindrat en djupare förståelse av dess spinntillstånd. Motiverad av detta, vi syntetiserade KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl, den första SKL -antiferromagneten, och demonstrerade frånvaron av magnetisk beställning vid extremt låga temperaturer - ett QSL -tillstånd. "

Dock, de experimentella resultaten som erhölls kunde inte replikeras genom teoretiska beräkningar med en standard "J ₁ -J ₂ -J ₃ SKL Heisenberg"-modellen. Detta tillvägagångssätt tar hänsyn till interaktionerna mellan varje kopparjon i kristallnätverket och dess närmaste grannar. Medförfattaren Dr. Katsuhiro Morita förklarar:"För att försöka eliminera avvikelsen, vi beräknade en SKL-modell med tanke på interaktioner med närmaste granne med hjälp av olika parametrar. Fortfarande, vi kunde inte återge de experimentella resultaten. Därför, för att förstå experimentet korrekt, vi måste beräkna modellen med ytterligare interaktioner."

Denna oenighet mellan experiment och beräkningar belyser behovet av att förfina befintliga teoretiska tillvägagångssätt, som medförfattare prof Takami Tohyama sammanfattar:"Medan SKL-antiferromagneten vi syntetiserade är en första kandidat för att undersöka SKL-magnetism, vi kan behöva överväga interaktioner med längre räckvidd för att få en kvantspinnvätska i våra modeller. Detta representerar en teoretisk utmaning att avslöja naturen hos QSL-tillståndet." Låt oss hoppas fysiker lyckas ta sig an denna utmaning för att föra oss ytterligare ett steg närmare det underbara löftet om spintronik.