En quantum spin vätska är ett tillstånd av materia där interagerande quantum spins inte anpassas ens vid lägsta temperaturer, men förbli oordnad. Forskning om detta tillstånd har pågått i nästan 50 år, men om det verkligen existerar har aldrig bevisats utom allt tvivel. Ett internationellt team under ledning av fysikern Prof. Martin Dressel vid universitetet i Stuttgart har nu satt stopp för drömmen om en kvantspinvätska tills vidare. Ändå, saken är fortfarande spännande.

När temperaturen sjunker under noll grader Celsius, vatten förvandlas till is. Men fryser faktiskt allt om du bara kyler ner tillräckligt? I den klassiska bilden, materia blir i sig fast vid låga temperaturer. Kvantmekanik kan, dock, bryta denna regel. Därför, heliumgas, till exempel, kan bli flytande vid -270 grader, men aldrig fast under atmosfärstryck:Det finns ingen heliumis.

Detsamma gäller för de magnetiska egenskaperna hos material:vid tillräckligt låga temperaturer, de magnetiska ögonblicken som kallas "snurr", till exempel, ordna sig på ett sådant sätt att de är orienterade mitt emot/antiparallellt till sina respektive grannar. Man kan tänka sig detta som pilar som pekar omväxlande upp och ner längs en kedja eller i ett rutmönster. Det blir frustrerande när mönstret är baserat på trianglar:Medan två snurr kan riktas i motsatta riktningar, den tredje är alltid parallell med en av dem och inte med den andra – oavsett hur du vänder på den.

För detta problem, kvantmekaniken föreslår lösningen att orienteringen och bindningen av två snurr inte är stela, men snurren fluktuerar. Det bildade tillståndet kallas en kvantspinnvätska där spinnen utgör en kvantmekaniskt intrasslad ensemble. Denna idé föreslogs för nästan femtio år sedan av den amerikanske nobelpristagaren Phil W. Anderson (1923-2020). Efter årtionden av forskning, endast en handfull verkliga material återstår i sökandet efter detta exotiska tillstånd av materia. Som en särskilt lovande "kandidat" ansågs ett triangulärt gitter i en komplex organisk förening, där ingen magnetisk ordning med ett regelbundet upp-ned-mönster kunde observeras, även vid extremt låga temperaturer. Var detta beviset på att quantum spin-vätskor verkligen existerar?

Ett problem är att det är extremt utmanande att mäta elektronspin ner till så extremt låga temperaturer, speciellt längs olika kristallriktningar och i variabla magnetfält. Alla tidigare experiment har kunnat undersöka kvantspinnvätskor endast mer eller mindre indirekt, och deras tolkning baseras på vissa antaganden och modeller. Därför, en ny metod för bredbandselektronspinresonansspektroskopi har utvecklats under många år vid Institute of Physics 1 vid universitetet i Stuttgart.

Använda mikrovågslinjer på chipet, man kan direkt observera egenskaperna hos snurren ner till några hundradelar av en grad över den absoluta nollpunkten. Genom att göra så, forskarna fann att de magnetiska momenten inte ordnar sig i en typisk magnets upp-och-ner-mönster, inte heller bildar de ett dynamiskt tillstånd som liknar en vätska. "Faktiskt, vi observerade snurren i rumsligt åtskilda par. Således, våra experiment har krossat drömmen om en kvantspinnvätska för nu, åtminstone för denna förening, " sammanfattar prof. Martin Dressel, föreståndare för Institutet för Fysik 1.

Men även om paren inte fluktuerade som hoppats, detta exotiska grundtillstånd av materien har inte förlorat något av sin fascination för fysikerna. "Vi vill undersöka om kvantspinnvätskor kan detekteras i andra triangulära gitterföreningar eller till och med i helt andra system såsom bikakestrukturer", Dressel beskriver nästa steg. Dock, det kan också vara så att en sådan störd, dynamiskt tillstånd existerar helt enkelt inte i naturen. Kanske leder varje typ av interaktion på ett eller annat sätt till ett regelbundet arrangemang om temperaturen är tillräckligt låg. Spins gillar bara att para ihop sig.