Många fysiska fenomen kan modelleras med relativt enkel matematik. Men, i kvantvärlden finns det ett stort antal spännande fenomen som uppstår från samspelet mellan flera partiklar - "många kroppar" - som är notoriskt svåra att modellera och simulera, även med kraftfulla datorer. Exempel på kvantitet många kroppstillstånd utan klassisk analog inkluderar supraledning, övervätskor, Bose-Einstein kondens, kvark-gluonplasma etc. Som ett resultat, många "quantum many-body" -modeller förblir teoretiska, med lite experimentell uppbackning. Nu, forskare från EPFL och Paul Scherrer Institut (PSI) har experimentellt insett en ny kvantitet i många kroppstillstånd i ett material som representerar en berömd teoretisk modell som kallas "Shastry-Sutherland" -modellen. Verket publiceras i Naturfysik .

Även om det finns flera endimensionella mångkroppsmodeller som kan lösas exakt, det finns bara en handfull i två dimensioner (och ännu färre i tre). Sådana modeller kan användas som fyrar, vägleda och kalibrera utvecklingen av nya teoretiska metoder.

Shastry-Sutherland-modellen är en av få 2D-modeller som har en exakt teoretisk lösning, som representerar den kvantparvisa intrasslingen av magnetiska moment i en kvadratisk gitterstruktur. När det är tänkt, Shastry-Sutherland-modellen verkade som en abstrakt teoretisk konstruktion, men anmärkningsvärt upptäcktes att denna modell realiseras experimentellt i materialet Sr2Cu (BO3) 2.

Mohamed Zayed i labbet av Henrik Rønnow vid EPFL och Christian Ruegg på PSI upptäckte att man kunde använda tryck för att ställa in materialet från Shastry-Sutherland-fasen på ett sådant sätt att en så kallad kvantfasövergång till en helt ny kvant många kroppstillstånd nåddes.

Till skillnad från klassiska fasövergångar som is (fast) som smälter till flytande vatten och sedan avdunstar som en gas, kvantfasövergångar beskriver förändringar i kvantfaser vid absolut nolltemperatur (273,15 ° C). De uppstår på grund av kvantfluktuationer som själva utlöses av förändringar i fysiska parametrar - i detta fall tryck.

Forskarna kunde identifiera det nya kvanttillståndet med hjälp av neutronspektroskopi, vilket är en mycket kraftfull teknik för att undersöka magnetiska egenskaper hos kvantmaterial och tekniska material. Att kombinera neutronspektroskopi och höga tryck är mycket utmanande, och detta experiment är bland de första som gör det för ett komplext kvanttillstånd.

I Shastry-Sutherland-modellen, atommagneterna-som härrör från rotationen av atomens elektroner-är kvantintrasslade i par om två. Forskarna fann att i den nya kvantfasen verkar atommagneterna kvantintrasslade i uppsättningar om fyra-så kallade plaquette singlets. "Detta är en ny typ av kvantfasövergång, och även om det har gjorts ett antal teoretiska studier om det, det har aldrig undersökts experimentellt, "säger Rønnow." Vårt system kan tillåta ytterligare undersökningar av detta tillstånd och arten av övergången till staten. "

Behovet av högt tryck begränsar vad som är experimentellt genomförbart för tillfället. Dock, Rønnow och Ruegg bygger en ny neutronspektrometer (CAMEA) vid Paul Scherrer Institute, som kommer att vara klar i slutet av 2018, liksom en annan vid European Spallation Source i Sverige, som kommer att tas i drift 2023. 4-spin-tillståndet i strontiumkopparborat kommer att vara bland de första experimenten för dessa nya maskiner. Som ett nästa steg, experiment som kombinerar tryck och magnetfält kan ge tillgång till ännu oupptäckta faser i kvantmaterial.

"Kvantfysik med många kroppar är fortfarande en utmaning där teorin bara har repat ytan om hur man hanterar det, "säger Rønnow." Bättre metoder för att hantera kvantfenomen i många kroppar skulle få konsekvenser från materialvetenskap till kvantinformationsteknik. "