Inuti en ny exotisk kristall, fysikern Martin Mourigal har observerat starka indikationer på "skrämmande" handling, och mycket av det. Resultaten av hans experiment, om det bekräftas över tid, skulle innebära att typen av kristall är ett sällsynt nytt material som kan hysa en kvantspinnvätska.

För närvarande, endast en liten handfull material antas möjligen ha dessa egenskaper. Denna nya kristall syntetiserades för första gången för bara ett år sedan. Bekräftelse av andra fysiker av Mourigals nyproducerade experimentella data kan ta ett decennium eller längre.

Förvirrad? Möt kvantfysik

En "vätska" som hittas inuti ett fast föremål kan låta förvirrande för många människor.

Välkommen till kvantmaterial, del av skymningszonen som kallas kvantfysik, som forskare har kämpat i ett sekel för att få tag på en nanometer åt gången. Även om mycket om det ännu är oupptäckt, kvantfysiken beskriver materiens underliggande verklighet.

Datorernas funktion, mobiltelefoner, superledare och MR -maskiner är baserade på det. Men dess lagar om atomvärlden trotsar mänsklig uppfattning om vad som är verkligt, och vissa låter så absurt att de har blivit populärvetenskapliga hjärnträngare.

"Flytande" i "skrämmande" trassel

Ta kvantförveckling, kärnan i Mourigals forskning om kristallen:Om två partiklar, elektroner till exempel, bli intrasslad, de kan fysiskt separeras med många mil, och ändå vara nära knutna till varandra. Åtgärder som tillämpas på en partikel påverkar sedan den andra omedelbart.

I början, denna teori var för konstig även för relativitetens far, Albert Einstein, som lyste det som "spöklik handling på avstånd".

Intrassling har sedan dess bevisats i experiment, men nu vet forskare som Mourigal, en experimentell fysiker vid Georgia Institute of Technology, och hans team, har tagit det mycket längre. Den syntetiska kristallen han har undersökt, en ytterbiumförening med formeln YbMgGaO4, är troligtvis full av observerbara "läskiga" anslutningar.

Mourigal, tidigare postdoktor Joseph Paddison och doktorand Marcus Daum publicerade sina observationer i tidningen Naturfysik på måndag, 5 december kl. 2016. De samarbetade med kollegor vid University of Tennessee och Oak Ridge National Laboratory. Arbetet finansierades av National Science Foundation och US Department of Energy.

Kvantdatordrömmar

Denna massiva "skrämmande" intrassling gör ett elektronsystem till en kvantspinnande "vätska". Termen är inte avsedd i vardaglig mening, som i vatten. Här, den beskriver den kollektiva naturen hos elektronernas snurr i kristallen.

"I en spinnvätska, 'spinnens riktningar är inte ordentligt anpassade, men galen, även om snurren är sammankopplade, medan i ett snurr 'fast' har rotationsriktningarna en snygg organisation, sa Mourigal.

Om upptäckten står sig, det kan öppna en dörr till hundratals ännu okända kvantspinnande flytande material som fysiker säger måste existera enligt teori och matematiska ekvationer. I en avlägsen framtid, nya kvantmaterial kan bli, enligt dagens mått, virtuella trollkarls stenar i kvantberäkningsingenjörers händer.

Pekings ytterbiumkristallframgång?

Ytterbiumkristallen syntetiserades första gången för ett år sedan av forskare i Kina, där regeringen i Peking har investerat stort i hopp om att skapa syntetiska kvantmaterial med nya egenskaper. Det verkar som om de kan ha lyckats nu, sa Mourigal, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Physics.

"Föreställ dig ett materiellt tillstånd där denna intrassling inte involverar två elektroner utan innebär, tre, fem, 10 eller 10 miljarder partiklar alla i samma system, "Sa Mourigal." Du kan skapa en mycket, mycket exotiskt materiellt tillstånd baserat på det faktum att alla dessa partiklar är intrasslade med varandra. Det finns inga enskilda partiklar längre, men en enorm elektronensemble som agerar gemensamt. "

En av de enda tidigare observerade skenbara kvantspinnvätskorna förekommer i en naturlig kristall som kallas herbertsmithite, en smaragdgrön sten som hittades 1972 i en gruva i Chile. Det är uppkallat efter mineralogen Herbert Smith, som dog nästan 20 år före upptäckten.

Forskare observerade dess uppenbara snurrande flytande natur 2012 efter att Massachusetts Institute of Technology -forskare lyckats reproducera en renad bit av kristallen i sitt labb.

Encyklopedi av spinnvätskor

Den första upptäckten var bara början på en Odyssey. På grund av dess kemiska sammansättning, herbertsmithite producerar bara ett enda entanglement system. Fysikmatematik säger att det måste finnas otaliga fler.

"Att hitta herbertsmithite var som att säga, "djur finns." Men det finns så många olika djurarter, eller däggdjur, eller fisk, reptiler och fåglar, sade Mourigal. "Nu när vi har hittat en, vi letar efter olika slags spinnvätskor. "

Ju mer spinnvätskor bekräftar experimentella fysiker, de mer teoretiska fysikerna kommer att kunna använda dem för att böja sina sinnen kring kvantfysik. "Det är viktigt att skapa encyklopedi av dem, "Sa Mourigal." Den här nya kristallen är kanske bara vår andra eller tredje post. "

Vilken neutronspridning avslöjade

Fysiker från University of Tennessee lyckades replikera den ursprungliga ytterbiumkristallen, och Mourigal undersökte det på Oak Ridge National Laboratory (ORNL), där den svalnade till en temperatur på -273,09 grader Celsius (0,06 grader Kelvin).

Nedkylningen bromsade atomernas naturliga rörelse till ett nästan stopp, vilket gjorde det möjligt för forskarna att observera elektronsnurrarnas dans runt Ytterbium (Yb)-atomerna i YbMgGaO4-kristallen. De använde en kraftfull supraledande magnet för att rada upp snurren på ett ordnat sätt för att skapa en utgångspunkt för deras observationer.

"Sedan tog vi bort magnetfältet, och låt dem gå tillbaka till sin speciella typ av viftande, "Sa Mourigal. Hans team utförde observationerna vid ORNL Spallation Neutron Source, en användarfacilitet för US Department of Energy Office of Science. SNS har ungefär kraften och storleken på en partikel -supercollider, och tillät forskarna att titta på konserten av elektronernas snurr genom att bombardera dem med neutroner.

I vanliga fall, när en elektron snurrar runt, forskare skulle förvänta sig att det skulle skapa en snygg kedjereaktion, vilket resulterar i en våg som går genom kristallen. Vågen av elektronsnurr som vänder i följd kan se ut som att fans på en fotbollsmatch står och sätter sig tillbaka för att få en våg att gå runt stadion.

Men något konstigt hände. "Denna jumbly snurrvåg bröt ner i många andra vågor, för allt är kollektivt, allt trasslar in sig, "Sa Mourigal." Det var ett kontinuum av upphetsningar, men bryts ner över många elektroner samtidigt."

Det liknade kvalitativt det som observerades med samma teknik på herbertsmithite.

Nobelpristopologimunk

För att autentisera observationerna som gjorts av Mourigals team, teoretiska fysiker kommer att behöva krossa data med metoder som, till viss del, lita på topologi, fokus för Nobelpriset i fysik 2016. Mourigal tror att chansen är stor att de kommer att klara sig. "Vid första ögonkastet, detta material skriker, 'Jag är en kvantspinnvätska, '" han sa.

Men den måste genomgå ett år långt batteri av stränga matematiska tester. De teoretiska fysikerna kommer att linda data kring en matematisk "munk" för att bekräfta om det är en kvantspinnvätska eller inte.

"Det är allvarligt menat, "Sa Mourigal." Som en matematisk mental övning, de sprider nästan spinnvätskan runt en munkform, och hur det reagerar på att vara på en munk berättar något om spinnvätskans natur. "

Även om intrasslade partiklar verkar trotsa utrymme och tid, formen på utrymmet som de upptar påverkar arten av intrasslingsmönstret.

Möjligheten av en kvantspinnvätska visades först på 1930-talet, men endast med atomer placerade i en rak linje. Fysiker har sökt under decennierna sedan efter material som innehåller dem.