År 1973, fysikern och senare nobelpristagaren Philip W. Anderson föreslog ett bisarrt tillstånd:kvantspinnvätskan (QSL). Till skillnad från de vardagliga vätskor vi känner till, QSL har faktiskt att göra med magnetism - och magnetism har att göra med snurr.

Disordered electron spin producerar QSL:er

Vad gör en magnet? Det var ett långvarigt mysterium, men idag vet vi äntligen att magnetism härrör från en egen egenskap hos subatomära partiklar, som elektroner. Den egenskapen kallas "spin, "och det bästa-men grovt otillräckliga-sättet att tänka på det är som ett barns snurrande leksak.

Det som är viktigt för magnetismen är att spinn förvandlar var och en av materialets miljarder elektroner till en liten magnet med sin egen magnetiska "riktning" (tänk nord- och sydpolen på en magnet). Men elektronen snurrar inte isolerade; de interagerar med varandra på olika sätt tills de stabiliseras för att bilda olika magnetiska tillstånd, vilket ger materialet de tillhör magnetiska egenskaper.

I en konventionell magnet, interagerande snurr stabiliseras, och de magnetiska riktningarna för varje elektron justeras. Detta resulterar i en stabil bildning.

Men i det som kallas en "frustrerad" magnet, elektronspinnet kan inte stabiliseras i samma riktning. Istället, de svänger ständigt som en vätska - därav namnet "kvantspinnvätska".

Kvantspinnvätskor i framtida teknik

Det som är spännande med QSL är att de kan användas i ett antal applikationer. Eftersom de finns i olika sorter med olika egenskaper, QSL kan användas vid kvantberäkning, telekommunikation, superledare, spintronics (en variant av elektronik som använder elektronspinn istället för ström), och en mängd andra kvantbaserade tekniker.

Men innan du utnyttjar dem, vi måste först få en gedigen förståelse för QSL -tillstånd. Att göra detta, forskare måste hitta sätt att producera QSL på begäran - en uppgift som har visat sig vara svår hittills, med endast ett fåtal material som QSL -kandidater.

Ett komplext material kan lösa ett komplext problem

Publicerar i PNAS , forskare under ledning av Péter Szirmai och Bálint Náfrádi vid László Forrós laboratorium vid EPFL:s grundskola har framgångsrikt tagit fram och studerat en QSL i ett mycket originalt material som kallas EDT-BCO. Systemet designades och syntetiserades av gruppen Patrick Batail vid Université d'Angers (CNRS).

EDT-BCO:s struktur gör det möjligt att skapa en QSL. Elektronen snurrar i EDT-BCO bildar triangulärt organiserade dimerer, var och en har ett spin-1/2 magnetiskt moment vilket innebär att elektronen måste rotera helt två gånger för att återgå till sin ursprungliga konfiguration. Skikten av spin-1/2-dimerer separeras med ett undergaller av karboxylatanjoner centrerade av en kiral bicyklooktan. Anjonerna kallas "rotorer" eftersom de har konformations- och rotationsfrihetsgrader.

Den unika rotorkomponenten i ett magnetiskt system gör materialet speciellt bland QSL -kandidater, representerar en ny materiell familj. "Den subtila störningen som framkallas av rotorkomponenterna introducerar ett nytt handtag på spinnsystemet, säger Szirmai.

Forskarna och deras medarbetare använde en arsenal av metoder för att utforska EDT-BCO som en QSL-materialkandidat:densitetsfunktionella teoriberäkningar, högfrekventa elektronspinnresonansmätningar (ett varumärke som tillhör Forrós laboratorium), Nukleär magnetisk resonans, och muon -spin -spektroskopi. Alla dessa tekniker utforskar de magnetiska egenskaperna hos EDT-BCO från olika vinklar.

Alla tekniker bekräftade frånvaron av långdistansmagnetisk ordning och uppkomsten av en QSL. Kortfattat, EDT-BCO går officiellt med i de begränsade leden av QSL-material och tar oss ett steg längre in i nästa generations teknik. Som Bálint Náfrádi uttrycker det:"Bortom den fantastiska demonstrationen av QSL -staten, vårt arbete är mycket relevant, eftersom det ger ett verktyg för att erhålla ytterligare QSL-material via specialdesignade funktionella rotormolekyler. "