Muonspinspektrometern som användes i studien vid Paul Scherrer Institute. Provet som studeras placeras i kryostaten placerad i mitten, och en myonstråle riktas mot den från bakre vänstra riktningen. Upphovsman:Otto Mustonen
1987, Paul W. Anderson, en nobelpristagare i fysik, föreslog att supraledning vid hög temperatur, eller förlust av elektrisk motstånd, är relaterat till ett exotiskt kvanttillstånd som nu är känt som kvantspinnvätska. Magnetiska material består av mycket små magneter, som kan vara lika små som enskilda elektroner. Dessas styrka och riktning beskrivs av det magnetiska momentet. I kvantspinnvätskor, magnetiska ögonblick beter sig som en vätska och fryser inte eller beställer inte ens vid absolut noll. Dessa kvanttillstånd studeras som lovande material för nya, så kallade topologiska kvantdatorer, där operationer är baserade på partikelliknande upphetsade tillstånd som finns i kvantspinnvätskor. Förutom stor beräkningskraft, en topologisk kvantdator kännetecknas av hög feltolerans, vilket gör det möjligt att öka datorns storlek. Dock, bara några kvantspinnvätskor som är lämpliga för topologiska kvantdatorer har hittats hittills.
Nu, för första gången någonsin, forskare från Aalto-universitetet, Brazilian Center for Research in Physics (CBPF), Technical University of Braunschweig och Nagoya University har producerat den supraledareliknande kvantspinnvätskan som förutspåtts av Anderson. Detta är ett viktigt steg mot att förstå supraledare och kvantmaterial. Beredningen av en kvantspinnvätska möjliggjordes genom ett nytt sätt att skräddarsy egenskaperna hos magnetiska material som utvecklats av kemister vid Aalto University. Resultaten av forskningen har publicerats i Naturkommunikation .
Högtemperatur supraledare är kopparoxider där kopparjonerna bildar ett fyrkantigt galler så att de intilliggande magnetiska momenten vetter i motsatta riktningar. När denna struktur störs genom att förändra oxidationstillståndet för koppar, materialet blir supraledande. I den nya forskning som nu publicerats, de magnetiska interaktionerna hos denna kvadratiska struktur modifierades med joner med en elektronisk struktur d10 och d0, som förvandlade materialet till en quantum spin vätska.
Det magnetiskt ordnade fyrkantiga gallret av kopparjoner. Att skräddarsy strukturen orsakade bildandet av kvantspinnvätska. Att modifiera strukturen på ett annat sätt resulterar i högtemperatur supraledning. Upphovsman:Otto Mustonen
"I framtiden, denna nya d10/d0 -metod kan användas i många andra magnetiska material, inklusive olika kvantmaterial, "säger doktorand Otto Mustonen från Aalto University.
Smidigt samarbete
Empirisk detektion av kvantspinnvätskor är svårt och kräver omfattande forskningsinfrastruktur.
"Vi använde muonspinnspektroskopi i denna studie. Denna metod är baserad på interaktionen mellan mycket kortlivade, elektronliknande elementarpartiklar, känd som muoner, med det material som studeras. Metoden kan detektera mycket svaga magnetfält i kvantmaterial, "säger professor F. Jochen Litterst från tekniska universitetet i Braunschweig. Mätningarna utfördes vid Paul Scherrer -institutet i Schweiz.
"Förutom förstklassig utrustning, forskningen kräver sömlöst samarbete mellan kemister och fysiker, "säger professor Maarit Karppinen." Vi kommer att behöva samma internationella tvärvetenskapliga tillvägagångssätt i framtiden så att denna forskning om kvantspinnvätskor kan leda oss till experimentell förverkligande av den topologiska kvantdatorn. "
