Forskare har tänjt på gränserna för kvantvärlden i över ett sekel. Och gång på gång, spinn har varit en rik källa till ny fysik.

Snurra, som massa och elektrisk laddning, är en inneboende egenskap hos kvantpartiklar. Det är centralt för att förstå hur kvantobjekt kommer att reagera på ett magnetfält, och den delar upp alla kvantobjekt i två typer. De halvheltalliga, som spin-1/2-elektronen, vägra att dela samma kvanttillstånd, medan heltal, som spin-1 fotonen, har inga problem att mysa ihop. Så, spinn är avgörande när man fördjupar sig i praktiskt taget alla ämnen som styrs av kvantmekanik, från Higgs Boson till supraledare.

Men efter nästan ett sekel av att spela en central roll i kvantforskningen, frågor om spin kvarstår. Till exempel, varför har alla elementarpartiklar som vi känner till bara spinnvärdena 0, 1/2, eller 1? Och vilka nya beteenden kan finnas för partiklar med spin-värden större än 1?

Den första frågan kan förbli ett kosmiskt mysterium, men det finns möjligheter att utforska den andra. Inuti ett material, en partikels omgivning kan få den att bete sig som om den har ett nytt spinnvärde. Under de senaste två åren, forskare har upptäckt material där elektroner beter sig som att deras spinn har stötts upp, från 1/2 till 3/2. JQI-postdoktorn Igor Boettcher utforskade de nya beteenden som dessa snurr kan ge upphov till i en nyligen publicerad artikel som presenterades på omslaget till Physical Review Letters.

Istället för att titta på ett visst material, Boettcher fokuserade på matematiken som beskriver interaktioner mellan spin-3/2 elektroner vid låga temperaturer. Dessa elektroner kan interagera på fler sätt än deras vardagliga spin-1/2 motsvarigheter, som låser upp nya faser – eller kollektiva beteenden – som forskare kan leta efter i experiment. Boettcher sållade igenom de möjliga faserna, letar efter de som sannolikt är stabila vid låga temperaturer. Han tittade på vilka faser som binder minst energi i interaktionerna, eftersom när temperaturen sjunker blir ett material mest stabilt i den form som innehåller minst energi (som ånga som kondenserar till flytande vatten och så småningom fryser till is).

Han hittade tre lovande faser att leta efter i experiment. Vilken av dessa faser, om någon, uppstår i ett visst material kommer att bero på dess unika egenskaper. Fortfarande, Boettchers förutsägelser ger forskare signaler att hålla utkik efter under experiment. Om en av faserna bildas, han förutspår att vanliga mättekniker kommer att avslöja en signaturförskjutning i de elektriska egenskaperna.

Boettchers arbete är ett tidigt steg i utforskningen av spin-3/2-material. Han hoppas att fältet en dag kan vara jämförbart med det för grafen, med forskare som ständigt tävlar för att utforska ny fysik, producera material av bättre kvalitet, och identifiera nya transportegenskaper.

"Jag hoppas verkligen att det här kommer att utvecklas till ett stort område, vilket kommer att kräva både experimentalister och teoretiker att göra sin del så att vi verkligen kan lära oss något om spin-3/2-partiklarna och hur de interagerar." säger Boettcher. "Detta är egentligen bara början just nu, eftersom dessa material precis dök upp."