Det låter som en gåta:Vad får du om du tar två små diamanter, sätta en liten magnetkristall mellan dem och pressa ihop dem väldigt långsamt?

Svaret är en magnetisk vätska, vilket verkar kontraintuitivt. Vätskor blir fasta under tryck, men i allmänhet inte tvärtom. Men denna ovanliga viktiga upptäckt, presenterat av ett team av forskare som arbetar vid Advanced Photon Source (APS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid DOE's Argonne National Laboratory, kan ge forskare ny inblick i supraledning vid hög temperatur och kvantberäkning.

Även om forskare och ingenjörer har använt sig av supraledande material i decennier, den exakta processen genom vilken högtemperatur superledare leder elektricitet utan motstånd förblir ett kvantmekaniskt mysterium. De signalerande tecknen på en superledare är förlust av motstånd och förlust av magnetism. Högtemperatur superledare kan arbeta vid temperaturer över flytande kväve (-320 grader Fahrenheit), gör dem attraktiva för förlustfria överföringsledningar i elnät och andra applikationer inom energisektorn.

Men ingen vet riktigt hur högtemperatur superledare uppnår detta tillstånd. Denna kunskap behövs för att öka materialens arbetstemperatur mot omgivningstemperatur, något som skulle krävas för fullskalig implementering av superledare i energibesparande elnät.

En idé som lades fram 1987 av den avlidne teoretikern Phil Anderson från Princeton University handlar om att sätta material i ett kvantspinnande vätskestatus, som Anderson föreslog kunde leda till supraledning vid hög temperatur. Nyckeln är elektronernas snurr i var och en av materialets atomer, som under vissa förhållanden kan knuffas in i ett tillstånd där de blir "frustrerade" och inte kan ordna sig till ett ordnat mönster.

För att lindra denna frustration, elektronspinnriktningar fluktuerar i tid, bara anpassa sig till angränsande snurr under korta perioder, som en vätska. Det är dessa fluktuationer som kan hjälpa till i elektronparbildningen som behövs för högtemperatur supraledning.

Tryck ger ett sätt att "ställa in" separationen mellan elektronspinn och driva en magnet till ett frustrerat tillstånd där magnetismen försvinner vid ett visst tryck och en centrifugeringsvätska kommer fram, enligt Daniel Haskel, fysikern och gruppledaren i Argonnes X-ray Science Division (XSD) som ledde ett forskargrupp genom en rad experiment på APS för att göra just det. Teamet inkluderade Argonne assisterande fysiker Gilberto Fabbris och fysikerna Jong-Woo Kim och Jung Ho Kim, hela XSD.

Haskel är noga med att säga att hans lags resultat, nyligen publicerad i Fysiska granskningsbrev , inte slutgiltigt visa kvantiteten hos centrifugeringsvätskan, där atomspinnet skulle fortsätta att röra sig även vid absoluta nolltemperaturer - fler experiment skulle behövas för att bekräfta det.

Men de visar det, genom att applicera långsamt och stabilt tryck, vissa magnetiska material kan skjutas in i ett tillstånd som liknar en vätska, där elektronen snurrar blir störda och magnetismen försvinner, samtidigt som det kristallina arrangemanget av atomerna som är värd för elektronen snurrar. Forskare är övertygade om att de har skapat en spinnvätska, där elektronen snurrar i störningar, men är inte säkra på om dessa snurr är intrasslade, vilket skulle vara ett tecken på en kvantspinnvätska.

Om detta är en kvantspinnvätska, Haskel sa, möjligheten att skapa en med denna metod skulle få stora konsekvenser.

"Vissa typer av kvantspinnvätskor kan möjliggöra felfri kvantberäkning, "Haskel sa." En kvantspinnvätska är en superposition av spinntillstånd, fluktuerande men intrasslad. Det är rättvist att säga att denna process, om det skulle skapa en kvantspinnvätska med kvantöverlagring, kommer att ha gjort en qubit, den grundläggande byggstenen i en kvantdator. "

Så vad gjorde laget, och hur gjorde de det? Det tar oss tillbaka till diamanterna, del av en unik experimentell installation vid APS. Forskare använde två diamantstäd, klippa på liknande sätt som vad du skulle se i smycken, med en bred bas och en smalare, platt kant. De placerade de mindre plana kanterna tillsammans, infogade ett prov av magnetiskt material (i detta fall en strontium-iridiumlegering) mellan dem, och tryckte.

"Tanken är att när du trycker på det, det för atomerna närmare varandra, "sa Fabbris." Och eftersom vi kan göra det långsamt, vi kan göra det kontinuerligt, och vi kan mäta provets egenskaper när vi går upp i tryck. "

När Fabbris säger att trycket applicerades långsamt, han skojar inte - var och en av dessa experiment tog ungefär en vecka, han sa, med ett prov på cirka 100 mikron i diameter, eller ungefär bredden på ett tunt pappersark. Eftersom forskare inte visste vid vilket tryck magnetism skulle försvinna, de var tvungna att mäta noggrant för varje mycket liten ökning.

Och se det försvinna gjorde de, på cirka 20 gigapascal - motsvarande 200, 000 atmosfärer, eller cirka 200 gånger mer tryck än vad som kan hittas på botten av Mariana Trench i Stilla havet, jordens djupaste skyttegrav. Elektronernas snurr förblev korrelerade över korta sträckor, som en vätska, men förblev oordning även vid temperaturer så låga som 1,5 Kelvin (−457 grader Fahrenheit).

Tricket, Haskel sa - och nyckeln till att skapa ett snurrande flytande tillstånd - var att bevara den kristallina ordningen och symmetrin hos atomarrangemanget, eftersom den oönskade effekten av slumpmässig störning i atomlägen skulle ha lett till ett annat magnetiskt tillstånd, en utan de unika egenskaperna hos centrifugeringsvätskan. Haskel liknar elektronspinnet med grannar i ett stadsblock - när de närmar sig, de vill alla göra varandra lyckliga, ändra sin rotationsriktning för att matcha sina grannars. Målet är att få dem så nära varandra att de omöjligt kan hålla alla sina grannar nöjda, därigenom "frustrerar" deras snurrinteraktioner, samtidigt som stadskvarterets struktur upprätthålls.

Forskargruppen använde APS:s intensiva röntgenavbildningsmöjligheter för att mäta provets magnetism, och enligt Haskel och Fabbris, APS är den enda anläggningen i USA där ett sådant experiment kan göras. Särskilt, Fabbris sa, förmågan att fokusera på en typ av atom, ignorerar alla andra, var avgörande.

"Proverna är mycket små, och om du försöker mäta magnetism med andra tekniker i ett universitetslabb, du kommer att plocka upp den magnetiska signalen från komponenter i diamantstädcellen, "Fabbris sa." Mätningarna vi gjorde är omöjliga utan en ljuskälla som APS. Det är unikt kapabelt till detta. "

Nu när laget har uppnått ett centrifugeringsvätska, vad kommer härnäst? Mer experiment behövs för att se om en kvantspinnvätska har skapats. Framtida experiment kommer att innebära att undersöka karaktären av spinndynamik och korrelationer mer direkt i centrifugeringsläget. Men de senaste resultaten, Haskel sa, ge en väg för att förverkliga dessa svårfångade kvanttillstånd, en som kan leda till nya insikter om supraledning och kvantinformationsvetenskap.

Haskel pekade också framåt mot APS -uppgraderingen, ett massivt projekt som kommer att se instrumentets ljusstyrka ökas upp till 1, 000 gånger. Detta, han sa, kommer att möjliggöra mycket djupare sonder i dessa fascinerande tillstånd av materia.

"Det är upp till någons fantasi vilka överraskande kvantmekaniska effekter som väntar på att upptäckas, " han sa.