Det finns inget känt sätt att bevisa att en tredimensionell "kvantspinvätska" existerar, så fysiker från Rice University och deras medarbetare gjorde det näst bästa:De visade att deras enstaka kristaller av ceriumzirkoniumpyroklor hade rätt grejer för att kvalificera sig som den första möjliga 3D-versionen av materiens efterlängtade tillstånd.

Trots namnet, en kvantspinnvätska är ett fast material där kvantmekanikens konstiga egenskap – intrassling – säkerställer ett vätskeliknande magnetiskt tillstånd.

I en tidning den här veckan Naturfysik , forskare erbjöd en mängd experimentella bevis-inklusive avgörande neutronspridningsexperiment vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och muon-spinnavslappningsexperiment vid Schweiz Paul Scherrer Institute (PSI)-för att stödja deras påstående att ceriumzirkoniumpyroklor, i sin enkristallform, är det första materialet som kvalificerar sig som en 3D-kvantspinnvätska.

"En kvantspinnvätska är något som forskare definierar utifrån vad du inte ser, " sa Rice's Pengcheng Dai, motsvarande författare till studien och medlem av Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Du ser inte långväga ordning i arrangemanget av snurr. Du ser inte oordning. Och olika andra saker. Det är inte detta. Det är inte det. Det finns ingen avgörande positiv identifiering."

Forskargruppens prover tros vara de första i sitt slag:Pyrochlores på grund av deras 2-till-2-till-7-förhållande av cerium, zirkonium och syre, och enkristaller eftersom atomerna inuti dem är arrangerade i en kontinuerlig, obruten gitter.

"Vi har gjort alla experiment som vi kunde tänka oss på den här föreningen, " Sa Dai. "(Studiemedförfattare) Emilia Morosans grupp på Rice gjorde värmekapacitetsarbete för att visa att materialet inte genomgår någon fasövergång ner till 50 millikelvin. Vi gjorde mycket noggrann kristallografi för att visa att det inte finns någon oordning i kristallen. Vi gjorde myonspin-relaxationsexperiment som visade en frånvaro av långdistansmagnetisk ordning ner till 20 millikelvin, och vi gjorde diffraktionsexperiment som visade att provet inte har någon syrevakans eller andra kända defekter. Till sist, vi gjorde oelastisk neutronspridning som visade närvaron av ett spin-excitationskontinuum – vilket kan vara ett kännetecken för kvantspinnvätska – ner till 35 millikelvin."

Dai, professor i fysik och astronomi, krediterade framgången med studien till sina kollegor, särskilt medförfattarna Bin Gao och Tong Chen och medförfattaren David Tam. Gao, en postdoktor vid Rice, skapade enkristallproverna i en laserugn med flytande zon vid labbet av Rutgers Universitys medförfattare Sang-Wook Cheong. Tong, en ris Ph.D. studerande, hjälpte Bin att utföra experiment på ORNL som producerade ett spinnexcitationskontinuum som indikerar närvaron av spinnförveckling som producerar kortdistansordning, och Tam, också en Rice Ph.D. studerande, ledde muon spin rotation experiment på PSI.

Trots lagets insats, Dai sa att det är omöjligt att definitivt säga att cerium-zirkonium 227 är en spinnvätska, delvis för att fysiker ännu inte har kommit överens om vilka experimentella bevis som krävs för att göra deklarationen, och delvis för att definitionen av en kvantspinnvätska är ett tillstånd som existerar vid absolut nolltemperatur, ett ideal utom räckhåll för något experiment.

Kvantspinnvätskor tros förekomma i fasta material som är sammansatta av magnetiska atomer i speciella kristallina arrangemang. Elektronens inneboende egenskap som leder till magnetism är snurr, och elektronspinn kan bara peka upp eller ner. I de flesta material, snurr blandas slumpmässigt som en kortlek, men magnetiska material är olika. I magneterna på kylskåp och inuti MR -maskiner, spins känner av sina grannar och arrangerar sig kollektivt i en riktning. Fysiker kallar denna "ferromagnetiska ordning på lång räckvidd, "och ett annat viktigt exempel på långdistansmagnetisk ordning är antiferromagnetism, där snurr kollektivt arrangeras i en upprepning, upp ner, upp-ned-mönster.

"I en solid med ett periodiskt arrangemang av snurr, om du vet vad en snurr gör här borta, du kan veta vad en snurr gör många, många repetitioner borta på grund av ordning på lång räckvidd, " sa Rice teoretisk fysiker och studiemedförfattare Andriy Nevidomskyy, en docent i fysik och astronomi och RCQM-medlem. "I en vätska, å andra sidan, det finns ingen långsiktig beställning. Om du tittar på två vattenmolekyler med en millimeters mellanrum, till exempel, det finns ingen som helst korrelation. Ändå, på grund av deras väte-vätebindningar, de kan fortfarande ha ett ordnat arrangemang på mycket korta avstånd med närliggande molekyler, vilket skulle vara ett exempel på kortdistansorder. "

År 1973, Nobelpristagarfysikern Philip Anderson föreslog tanken på kvantspinnvätskor baserat på insikten att det geometriska arrangemanget av atomer i vissa kristaller skulle kunna göra det omöjligt för intrasslade snurr att kollektivt orientera sig i stabila arrangemang.

Som den noterade vetenskapsförfattaren Philip Ball träffande beskrev 2017, "Föreställ dig en antiferromagnet - där intilliggande spinn föredrar att vara motsatt orienterade - på ett triangulärt gitter. Varje spin har två närmaste grannar i en triangel, men den antiparallella inriktningen kan inte uppfyllas för hela trion. En möjlighet är att spinngitteret fryser till ett oordning 'glasartat' tillstånd, men Anderson visade att kvantmekanik möjliggör fluktuerande snurr även vid absolut noll (temperatur). Detta tillstånd kallas en kvantspinnvätska, och Anderson föreslog senare att det kan vara kopplat till högtemperatursupraledning."

Möjligheten att kvantspinnvätskor kan förklara supraledning vid hög temperatur har väckt ett stort intresse bland kondenserade fysiker sedan 1980-talet, och Nevidomskyy sa att intresset ökade ytterligare när det "föreslogs att vissa exempel på så kallade topologiska kvantspinnvätskor kan vara mottagliga för att bygga qubits" för kvantberäkning.

"Men jag tror att en del av nyfikenheten kring quantum spin liquids är att den har återuppstått i många inkarnationer och teoretiska förslag, " sa han. "Och även om vi har teoretiska modeller där vi vet, för ett faktum, att resultatet blir en snurrvätska, att hitta ett verkligt fysiskt material som skulle uppfylla dessa egenskaper har, än så länge, visat sig vara mycket svårt. Det finns inget samförstånd på området, tills nu, att något material - 2-D eller 3-D - är en kvantspinnvätska."