Med hjälp av en ny teknik, forskare som arbetar vid Florida State University med huvudkontor National High Magnetic Field Laboratory har hittat bevis för en kvantspinnvätska, ett materiatillstånd som är lovande som en byggsten för morgondagens kvantdatorer.

Forskare upptäckte det spännande beteendet när de studerade de så kallade elektronsnurren i föreningen ruteniumtriklorid. Deras fynd, publiceras idag i tidskriften Naturfysik , visa att elektronsnurr interagerar över materialet, effektivt sänka den totala energin. Denna typ av beteende - i överensstämmelse med en kvantspinnvätska - upptäcktes i ruteniumtriklorid vid höga temperaturer och i höga magnetfält.

Spinnvätskor, Teoretiserades första gången 1973, förblir något av ett mysterium. Trots att vissa material visar lovande tecken på detta tillstånd, det är extremt utmanande att definitivt bekräfta dess existens. Dock, det finns ett stort intresse för dem eftersom forskare tror att de kan användas för design av smartare material i en mängd olika tillämpningar, till exempel kvantberäkning.

Denna studie ger starkt stöd för att ruteniumtriklorid är en spinnvätska, sade fysikern Kim Modic, en före detta doktorand som arbetade på MagLabs pulsfältsanläggning och nu är biträdande professor vid Institute of Science and Technology Österrike.

"Jag tror att det här dokumentet ger ett nytt perspektiv på ruteniumtriklorid och visar ett nytt sätt att leta efter signaturer av spinnvätskor, sa Modic, tidningens huvudförfattare.

I årtionden, fysiker har omfattande studerat laddningen av en elektron, som bär el, banar väg för framsteg inom elektronik, energi och andra områden. Men elektroner har också en egenskap som kallas spin. Forskare vill också utnyttja spinaspekten av elektroner för teknik, men det universella beteendet hos spins är ännu inte helt förstått.

I enkla termer, elektroner kan ses som att de snurrar på en axel, som en topp, orienterad åt något håll. I magnetiska material, dessa snurrar ligger i linje med varandra, antingen i samma eller motsatta riktningar. Kallas magnetisk beställning, detta beteende kan induceras eller undertryckas av temperatur eller magnetfält. När den magnetiska ordningen väl har undertryckts, mer exotiska tillstånd av materia skulle kunna uppstå, såsom quantum spin-vätskor.

I jakten på en snurrvätska, forskargruppen hemsökte ruteniumtriklorid. Dess bikakeliknande struktur, med ett snurr på varje plats, är som en magnetisk version av grafen – ett annat hett ämne inom den kondenserade materiens fysik.

"Ruthenium är mycket tyngre än kol, vilket resulterar i starka interaktioner mellan snurren, " sa MagLab fysiker Arkady Shekhter, en medförfattare på tidningen.

Teamet förväntade sig att dessa interaktioner skulle öka magnetisk frustration i materialet. Det är ett slags "tres företag"-scenario där två snurr går ihop, lämnar den tredje i ett magnetiskt limbo, som motverkar magnetisk ordning. Den frustrationen, teamet antog, kan leda till ett vätskeformigt tillstånd. Deras uppgifter bekräftade deras misstankar.

"Det verkar som, vid låga temperaturer och under ett applicerat magnetfält, ruteniumtriklorid visar tecken på beteendet som vi letar efter, " Sa Modic. "Snurren orienterar sig inte helt enkelt beroende på hur intilliggande snurr är i linje, utan snarare är dynamiska – som virvlande vattenmolekyler – samtidigt som de upprätthåller en viss korrelation mellan dem."

Fynden möjliggjordes av en ny teknik som teamet utvecklade kallad resonant torsionsmagnetometri, som exakt mäter beteendet hos elektronspin i höga magnetfält och kan leda till många andra nya insikter om magnetiska material, sa Modic.

"Vi har inte riktigt arbetshästteknikerna eller det analytiska maskineriet för att studera excitationerna av elektronsnurr, som vi gör för avgiftssystem, Modic sa. "De metoder som finns kräver vanligtvis stora urvalsstorlekar, som kanske inte är tillgänglig. Vår teknik är mycket känslig och fungerar på små, ömtåliga prover. Det här kan vara en spelomvandlare för detta forskningsområde."

Modic utvecklade tekniken som postdoktor och arbetade sedan med MagLab-fysikerna Shekhter och Ross McDonald, en annan medförfattare på tidningen, att mäta ruteniumtriklorid i höga magnetfält.

Deras teknik gick ut på att montera ruteniumtrikloridprover på en fribärare storleken på ett hårstrå. De använde en kvartsstämgaffel - liknande den i en kvartskristallklocka - för att vibrera konsolen i ett magnetfält. Istället för att använda den för att visa tiden exakt, de mätte vibrationsfrekvensen för att studera interaktionen mellan spinn i ruteniumtriklorid och det applicerade magnetfältet. De utförde sina mätningar i två kraftfulla magneter på National MagLab.

"Det fina med vårt tillvägagångssätt är att det är en relativt enkel installation, vilket gjorde det möjligt för oss att utföra våra mätningar i både en 35-tesla resistiv magnet och en 65-tesla pulsfältsmagnet, sa Modic.

Nästa steg i forskningen blir att studera detta system i MagLabs världsrekord på 100 tesla pulserande magnet.

"Det höga magnetfältet borde tillåta oss att direkt observera undertryckandet av spinnvätsketillståndet, som kommer att hjälpa oss att lära oss ännu mer om denna förenings inre funktioner, " sa Shekhter.