Vad är ljus? Det låter som en enkel fråga, men det är en som har upptagit några av de bästa vetenskapliga sinnena i århundraden.

Nu, en samarbetsstudie med forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har lagt till en annan twist till historien, att göra en abstrakt teori om magneternas kvantegenskaper till en testbar hypotes om en ny typ av ljus.

Ända sedan Isaac Newton brytade ljus genom prismor 1672, forskare har delats om huruvida ljus består av partiklar eller vågor. Ljus verkar färdas i raka linjer, som skulle förväntas av en partikel, men Newtons experiment har visat att den också har frekvens och våglängd, som ljudvågor.

Nästan 200 år senare, den skotska fysikern James Clerk Maxwell gav en del av svaret, när han insåg att ljuset består av fluktuerande elektriska och magnetiska fält. Det var först på 1900 -talet genom Einsteins arbete, att ljuset slutligen förstod att det består av grundläggande partiklar som kallas fotoner, som fungerar som både partiklar och vågor.

Denna upptäckt hjälpte till att inspirera den nya vetenskapen om kvantmekanik, som beskriver materiens och energins beteende på atom- och subatomär nivå.

På senare tid, i slutet av 1900 -talet, fysiker började utforska ett fenomen som kallas uppkomst. Precis som beteendet hos stora grupper av människor kan skilja sig från beteendet hos någon enskild medlem i gruppen, framväxten beskriver hur partiklar i stora grupper kan bete sig på oväntade sätt, avslöja nya fysikaliska lagar eller ge ett nytt sammanhang för gamla. En fråga som ställdes var, "Kan det finnas sådant som framväxande ljus?"

Detta leder oss till OIST -professor Nic Shannon, Han Yan, en doktorsexamen student i sin Theory of Quantum Matter Unit, och deras kollegor i Schweiz och i USA. Deras senaste arbete handlar om en konstig familj av magnetiska system som kallas spinnis, som slipper alla konventionella former av magnetisk ordning och istället öppnar ett fönster på kvantvärlden.

I konventionella magneter som de på ditt kylskåp, magnetatomer producerar ett litet magnetfält och samarbetar för att generera de mycket större magnetfälten som gör att de kan "fastna" vid metallföremål. Detta är möjligt eftersom de små magnetfält som är associerade med varje atom i magneten ordnar själva så att de pekar i samma riktning.

I spinnis, dock, atomer beställer inte magnetiskt, men arbetar fortfarande tillsammans för att producera ett magnetfält som fluktuerar på atomskala.

Nyligen, forskare insåg att kvanteffekter vid låga temperaturer kan introducera ett framväxande elektriskt fält i spinnis, med en fantastisk konsekvens:Emergent elektriska och magnetiska fält kombineras för att producera magnetiska excitationer som beter sig exakt som fotoner av ljus.

"Det beter sig som ljus, men du kan inte se det med dina ögon, "sa Prof Shannon" Tänk dig att spinnisens kristall är ett litet universum med sina egna naturlagar, och du är på utsidan och tittar in. Hur kan du ta reda på vad som händer inuti.

År 2012 var professor Shannon och hans dåvarande doktorand. studenten Owen Benton föreslog ett sätt att upptäcka ljuset inuti en kvantspinnis genom att studsa neutroner från magnetatomerna inuti kristallen. De förutspådde en karakteristisk signatur i hur kristallen absorberar neutronernas energi, vilket signalerar närvaron av den framväxande elektrodynamiken hos en kvantspinnis.

Nu, i ett papper publicerat i Naturfysik , författarna rapporterar att de har observerat denna signatur i ett material som kallas praseodymium hafnate (Pr2Hf2O7).

Att hitta signaturerna för framväxande ljus i ett verkligt material visade sig vara mycket utmanande, eftersom det krävde att arbeta vid temperaturer så låga som 50 milikelvin - mindre än en tiondel av graden över absolut noll - med kristaller fria från smuts och brister.

Ett forskargrupp ledd av Dr Romain Sibille från Paul Scherrer Institut (PSI) i Schweiz, i samarbete med kollegor vid University of Warwick i Storbritannien, lyckades generera en perfekt kristall av ett kvantspinnismaterial som de slutligen kunde testa hypotesen med.

"Det är väldigt vackert, som en ädelsten, "sade Prof Shannon, "och det är fantastiskt att tro att det är en enda stor kristall utan brister."

Sibille tog denna kristall till European Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble, Frankrike, liksom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i Tennessee, USA, att använda dessa anläggningar specialutvecklade neutronspektrometrar.

I ett extremt utmanande experiment, Sibilles team använde en rad 960 superspeglar belagda med järn, kobolt, och vanadinlegeringar som selektivt kan återspegla olika typer av neutroner - något som hans heminstitution PSI har utvecklat, och använde HYSPEC-instrumentet (ORNL) för att erhålla en 3-D-analys av deras reflektionsmönster.

I kombination med en grundlig kartläggning av de spridda neutronerna med hjälp av IN5 -instrumentet (ILL), detta gjorde det möjligt för dem att mäta polarisationen av de spridda partiklarna och kartlägga energisignaturerna som de producerade partiklarna. "

Dr Benton och Prof Shannons teori hade en otrolig likhet med de experimentella energikartorna. Den grafiska återgivningen av neutronreflektion visade så kallade nypunkter, som är karakteristiska drag för en kvantspinnis. När spinnisen skannades vid låga temperaturer, nypunkterna försvann på ett sätt som starkt föreslog framväxande ljus.

Yan arbetade med teorin och analyserade experimentdata för att bestämma hastigheten på det framväxande ljuset - blygsamma 3,6 m per sekund, ungefär lika fort som någon springer ett maraton på fyra timmar. Fotonerna av normalt ljus - den typ du kan sola under - kan täcka samma sträcka på mindre än en tusendels sekund.

"För mig är det väldigt häftigt att detta material beter sig som ett miniuniversum med sitt eget ljus och laddade partiklar" sa Han.

"För närvarande, vi vet inte något sätt att förklara dessa resultat utan att åberopa kvantmekanik, "sade Prof Shannon, "så det ser verkligen ut som om vi har sett framväxande ljus."