Alexei Tsvelik, en teoretisk fysiker vid Brookhaven Lab, använder händerna för att visa två olika kirala arrangemang av tre närliggande elektroners magnetiska ögonblick. Denna idé om kiralitet, eller skicklighet, används också för att beskriva spegelbildsorienteringar av atomer i molekyler, som visas på Tsveliks datorskärm. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
När forskare har utforskat materiens struktur och egenskaper på allt djupare nivåer har de upptäckt många exotiska nya material, inklusive superledare som bär elektrisk ström utan motstånd, flytande kristaller som anpassas för att producera lysande dynamiska skärmar, och material som uppvisar olika former av magnetism. Men några exotiska former av materia existerar bara i teorin, förutsagda av forskare baserat på vad de har lärt sig på dessa djupare nivåer. Nu ger ett par fysiker en teoretisk färdplan som kan peka på upptäckten av ett sådant exotiskt magnetiskt ordnat tillstånd, kallade en "kiral spinnvätska".
"Denna form av materia föreslogs för första gången för ungefär 30 år sedan som en särskild typ av magnetisk ordning utan en bestämd global riktning av magnetiska ögonblick, "sa Alexei Tsvelik, en teoretiker vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. "Men dess upptäckt har förblivit en pipardröm, tills nu."
I en ny tidning accepterad som ett redaktörsförslag av tidningen Fysiska granskningsbrev , Tsvelik och medförfattare Oleg Yevtushenko från Ludwig Maximilian University i Tyskland beskriver de allmänna kraven som ett sådant magnetiskt system bör uppfylla. De ger också speciella förslag på var och hur man kan söka efter riktiga exempel på kirala spinnvätskor.
Söker efter beställning
För ett enkelt exempel på hur materiens egenskaper kommer från "ordning" bland dess byggstenar, tänk på hur temperaturen påverkar arrangemanget av vattenmolekyler. Du får dramatiskt olika egenskaper beroende på om molekylerna är fria att röra sig som ånga, kyls för att flyta kollektivt som en vätska, eller låst i inställda positioner i en fast iskristall.
"I det enkla fallet den kristallina ordningen kan ses med blotta ögat, "Sade Tsvelik." Men fysiker är alltid på jakt efter något mer subtilt och sofistikerat, "såsom ordning i orienteringen av elektroniska magnetmoment.
Elektroner har en egenskap som kallas spin, något analogt med snurren på en leksakstopp. Rotationsaxeln bestämmer åt vilket håll snurren pekar, och får enskilda elektroner att verka som små magneter. I ett material som järn, när riktningarna för elektronernas mikroskopiska magnetmoment är i linje, du får magnetism i makroskopisk skala.
Tummen och de två första fingrarna på Tsveliks händer visar de relativa orienteringarna för tre elektroner i närheten vars magnetiska ögonblick pekar i rät vinkel mot varandra - som x, y, z-axlar på en 3D-graf. I en "kiral spinnvätska, "fysiker skulle förvänta sig att hitta en sådan lokal ordning bland elektronens magnetiska ögonblick, och endast en av de två möjliga kirala arrangemangen, utan en bestämd global ordning. Upphovsman:Brookhaven National Laboratory
I en kiral spinnvätska, dock, forskarna letar inte efter en sådan långsträckt magnetisk ordning. Istället söker de efter en viss typ av lokal magnetisk ordning bland grupper om tre grannelektroner.
"Det vi vill ha är ett arrangemang där tre närliggande magnetiska ögonblick gör en triad med sina orienteringar fixerade med avseende på varandra, men det finns ingen global orientering, "Sa Tsvelik. Han använder sin högra hand för att demonstrera de relativa inriktningarna, med tummen och pekfingret som bildar ett L och långfingret pekar rakt ut från handflatan, alla i rät vinkel mot varandra - som x, y, z-axlar på ett tredimensionellt diagram.
Att använda en hand är en lämplig rekvisit eftersom det lätt visar att ett spegelbildarrangemang kan uppnås med vänster hand istället för höger. Dessa två olika arrangemang är exempel på positiv och negativ kiralitet, ett ord som fysiker och kemister använder för att beskriva tredimensionella strukturs "handlighet". En gång beställd, centrifugeringsvätskan väljer spontant en särskild kiralitet, Sa Tsvelik.
Baserat på deras förståelse av materialegenskaper, forskarna förutspådde vilka egenskaper kirala spinnvätskor med sådana arrangemang bör ha, och använde sedan teoretiska beräkningar för att stödja sina idéer. Papperet innehåller till och med den kemiska formeln för ett visst material som de vill att experimentella forskare ska utforska.
I huvudsak, Tsvelik sa, materialet måste vara en skiktad metall, där snurren ligger i väl separerade lager och där de lokaliserade magnetiska momenten kan samexistera med ledningselektroner. Det måste också reagera starkt på ett ojämnt magnetfält med en viss periodicitet-ungefär som hur de yttre vibrationerna i en operasångers röst kan krossa ett glas som vibrerar vid samma resonansfrekvens som noten. Men förvänta dig inte att metallen går sönder, Sa Tsvelik.
Vad kan vi förvänta oss om till exempel kiral spinnvätska upptäcks? Tsvelik har inga specifika förutsägelser.
"Om du tittar på vetenskapshistorien - från upptäckten av mekanik till elektronen till splittring av atomen - har den aldrig drivits av applikationer. Många gånger dyker applikationer så småningom upp, även jätte, som de som utlöste den industriella revolutionen, som sprang ur upptäckten av Newton. Men det är inte det som driver vetenskapen, " han sa.
