Fig. 1 Skillnader mellan vanliga magneter och spinnvätskor. Vid höga temperaturer, spinnen -- de små kompasserna för varje oparad elektron i materialen -- fluktuerar slumpmässigt mellan godtyckliga orienteringar i båda fallen. (Vänster) I konventionella magnetiska tillstånd, snurrarna ställer sig statiskt i linje i förhållande till varandra, antingen parallellt eller antiparallellt under någon karakteristisk temperatur. (Höger) I en quantum spin vätska, snurrarna beställs aldrig vid någon temperatur, oavsett hur låg den är - de fortsätter att fluktuera snabbt utan att symmetrin bryts även vid absolut nolltemperatur (-273 °C). Kredit:Kosmas Prassides
Bränsle som bensin består av kolväten - en familj av molekyler som helt består av kol och väte. Pigment och färg, kol och tjära består också av kolväten.
Dessa vanliga, rikligt med material, ibland till och med förknippat med avfall, anses inte ofta vara elektroniskt eller magnetiskt intressanta. Men ett internationellt forskarlag, ledd av professor Kosmas Prassides från Tohoku University i Japan och professor Matthew J. Rosseinsky från University of Liverpool i Storbritannien, har gjort ett betydande fynd.
Teamet upptäckte nyligen hur man tar sådana kolvätemolekylära komponenter, klä dem med elektroner, som var och en bär en liten kompass – en oparad snurr – och packa ihop dem som kakor i en låda för att skapa en kvantspinningsvätska – ett länge eftersökt hypotetiskt tillstånd av materia.
Det var 1973 som förekomsten av kvantspinnvätskor för första gången teoretiskt föreslogs. I konventionella magneter, rörelsen hos elektronsnurrarna - de små magneterna - fryser när de svalnar när de är parallella eller antiparallella med varandra (Fig. 1 till vänster). I kontrast, snurrorna i en kvantspinnvätska slutar aldrig fluktuera, slumpmässigt och starkt, även vid den lägsta temperaturen av absoluta nollpunkten. Varje enskilt snurr pekar samtidigt längs ett oändligt antal riktningar och är mycket intrasslat med andra snurr, även de långt borta (bild 1 till höger). Som sådan, detta hav av elektronsnurr förutspås vara värd för många exotiska fenomen av både grundläggande och tekniskt intresse.
Fig. 2 Tre polyaromatiska kolvätemolekyler som undersökts i detta arbete. Fenantrenmolekylen (C14H10) består av tre smälta bensenringar i fåtöljkonfiguration. Piken- och pentacenmolekylerna (C22H14) består av fem sammansmälta bensenringar i fåtölj- och sicksackkonfiguration, respektive. Kol- och väteatomer är i grå och orange färg, respektive. Kredit:Kosmas Prassides
Dock, experimentell realisering av detta unika helt intrasslade tillstånd av materia har hittills förblivit ouppfyllt. Trots en fyra decennier lång sökning, det finns mycket få quantum spin liquid-kandidater. Nuvarande alternativ inkluderar vissa oorganiska kopparmineraler och vissa organiska salter, som innehåller sällsynta, tunga eller giftiga ämnen.
I resultat publicerade i två back-to-back papper den 24 april i tidskriften Naturkemi , teamet kom på den nya kemin som behövs för att göra kristallina material med hög renhet från reaktionen mellan polyaromatiska kolväten (Fig. 2) med alkalimetaller för första gången.
Material erhållna från polyaromatiska kolväten (molekyler med många aromatiska ringar) föreslogs tidigare som kandidater till nya supraledare - material utan elektrisk resistans och som kan bära elektricitet utan att förlora energi - utan giftiga eller sällsynta element. Dock, förstörelse av de molekylära komponenterna i de använda syntetiska behandlingarna hade hämmat alla framsteg inom detta område.
Fig. 3 Diagrammatisk representation av strukturen hos det joniska kolvätet som upptäcktes i detta arbete som värd för en kvantspinnvätska. Den vänstra panelen visar de molekylära jonerna, som ordnar sig i triangulära vertexdelande kedjor. Den högra panelen visar de samexisterande magnetiska spiralrören. De två strukturella motiven länkar samman för att ge en komplex packningsarkitektur, som visas i projektionen i mittpanelen. Varje molekylär jon har ett snurr (visas som grå pil). Snurren fluktuerar ständigt ner till låga temperaturer. Figuren visar ett av ett oändligt antal intrasslade spinnarrangemang. Kredit:Kosmas Prassides
"Att ta bort den befintliga syntetiska vägspärren har lett till mycket spännande utvecklingar, " säger professor Kosmas Prassides. "Vi har redan upptäckt att en del av strukturerna i de nya materialen — helt gjorda av kol och väte, den enklaste möjliga kombinationen – visa aldrig tidigare skådade magnetiska egenskaper – spinnvätskebeteende (Fig. 3) – med potentiella tillämpningar inom supraledning och kvantberäkning."
"Det tog oss många års arbete att nå vårt genombrott, " tillägger professor Matthew Roseinsky. "Men i slutändan, vi lyckades utveckla inte en, men två kompletterande kemivägar, som öppnar vägen för ett rikt utbud av nya material med ännu okända egenskaper."
