Lite frustration kan göra livet intressant. Detta är verkligen fallet inom fysiken, där närvaron av konkurrerande krafter som inte kan tillgodoses samtidigt - känd som frustration - kan leda till sällsynta materialegenskaper. Precis som vattenmolekyler blir mer ordnade när de svalnar och fryser till iskristaller, magneterna blir mer ordnade med minskande temperatur när de små magnetfälten eller "snurrarna" hos enskilda atomer börjar peka i samma riktning. Så kallade 'spinnvätskor' är undantaget från denna regel, med snurr fortsätter att fluktuera och peka i olika riktningar även vid mycket låga temperaturer. De erbjuder spännande möjligheter för nya upptäckter inom fysik. Forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har modellerat en viss spinnvätska, visar att störning kan samexistera med ordning. Tre stora publikationer markerar milstolparna inom detta forskningsområde.

Först, Dr Ludovic Jaubert från OIST:s Theory of Quantum Matter Unit arbetade tillsammans med forskare vid University College London och Ecole Normale Supérieure i Lyon för att föreslå en modell för samexistens av både magnetisk ordning och störning redan 2014. Genom att simulera vad som skulle hända när neutroner avfyras mot frustrerade magneter-så kallade på grund av den starka konkurrensen mellan krafterna mellan enskilda atoms snurr-Jaubert och kollegor kunde ta fram färgglada neutronspridningskartor. Om snurren i materialets atomer stod på ett ordnat sätt i magneten skulle du förvänta dig att se fläckar på kartorna som kallas 'Bragg -toppar', medan man med spinnvätskor skulle förvänta sig att se fluga-former, kallas "nypunkt". Till deras förvåning, forskarna märkte både Bragg-toppar och nypunkt på sina neutronspridande kartor, vilket tyder på att de störda egenskaperna hos en spinnvätska samtidigt kan existera med ordnad magnetism.

"Centrifugeringsvätskor är paragoner av magnetisk störning. Det var väldigt spännande att se de karakteristiska egenskaperna hos en spinnvätska i en delvis ordnad magnet. Det är verkligen motiverande att tänka på de grundläggande möjligheter som detta erbjuder för vår förståelse av kondenserad materia, säger Jaubert.

Den andra milstolpen inom detta forskningsområde inträffade tidigare i år, när en publikation i Nature Physics visade att teorin om Dr Jaubert och medarbetare höll i experimentell observation, med hjälp av magnetmaterialet neodymzirkonat (Nd2Zr2O7). "Resultaten av detta experiment bekräftar teorin som Dr Jaubert presenterade om samexistensen av magnetisk ordning och störning 2014, "säger Dr Owen Benton, en tidigare postdoktor i Theory of Quantum Matter Unit, ledd av professor Nic Shannon.

Dock, mer arbete var nödvändigt för att koppla detta nya experiment till Jauberts ursprungliga idé. För att avslöja hur neodymzirkonat kan både beställas och vara oordning på samma gång, Benton började arbeta med den senaste milstolpen i denna forskning, teoretisera en lämplig mikroskopisk modell för detta magnetiska material. Med sin modell, Benton visade att neodymzirkonat existerar i både ett ordnat och fluktuerande tillstånd, vilket gör det till en mycket ovanlig typ av magnet.

Arbetet visar också att neodymzirkonat är på kanten att bli en kvantspinnvätska - ett sällsynt tillstånd av materia som öppnar en bakdörr in i kvantvärlden. I en sann kvantspinnvätska, snurren av ett material skulle inte bara fluktuera genom många olika riktningar som en funktion av tiden utan skulle peka i många olika riktningar samtidigt.

"Om du kunde visa att det fanns något som en kvantspinnvätska skulle det vara som ett exempel på Schrodingers katt på ett stort föremål, "säger Benton. Schrodingers katt är ett känt tankeexperiment inom fysik där en katt i en förseglad låda med en radioaktiv källa är både levande och död samtidigt. Precis som katten finns i flera tillstånd, dvs levande och döda, samtidigt, denna forskning banar väg för att hitta riktiga magneter som finns i många stater samtidigt.

"Denna studie visar också att vi kan få en mycket komplett bild av fysiken för neodymzirkonat med hjälp av en modell, "säger Benton. Ytterligare teoretisk och experimentell forskning av detta och relaterade material kan avslöja ännu mer oväntade och spännande fenomen.