En ny upptäckt ledd av Princeton University kan öka vår förståelse av hur elektroner beter sig under extrema förhållanden i kvantmaterial. Fyndet ger experimentella bevis för att denna välbekanta byggsten av materia beter sig som om den är gjord av två partiklar:en partikel som ger elektronen dess negativa laddning och en annan som tillhandahåller dess magnetliknande egenskap, känd som spin.

"Vi tror att detta är det första hårda beviset på spin-laddningsseparation, sa Nai Phuan Ong, Princetons Eugene Higgins professor i fysik och senior författare på den tidning som publicerades denna vecka i tidskriften Naturfysik .

De experimentella resultaten uppfyller en förutsägelse som gjordes för decennier sedan för att förklara ett av materiens mest sinnesböjande tillstånd, kvantspinnvätskan. I alla material, en elektrons spinn kan peka antingen uppåt eller nedåt. I den välbekanta magneten, alla spinn pekar likformigt i en riktning genom hela provet när temperaturen sjunker under en kritisk temperatur.

Dock, i spinnvätskematerial, snurren kan inte etablera ett enhetligt mönster även när de kyls ner mycket nära absolut noll. Istället, snurren förändras ständigt i en tätt koordinerad, intrasslad koreografi. Resultatet är ett av de mest intrasslade kvanttillstånd som någonsin uppfattats, ett tillstånd av stort intresse för forskare inom det växande området kvantberäkning.

För att beskriva detta beteende matematiskt, Nobelprisvinnande Princeton-fysikern Philip Anderson (1923-2020), som först förutspådde förekomsten av spinnvätskor 1973, föreslagit en förklaring:i kvantregimen kan en elektron betraktas som sammansatt av två partiklar, den ena bär elektronens negativa laddning och den andra innehåller dess spinn. Anderson kallade den spinninnehållande partikeln för en spinon.

I denna nya studie, teamet sökte efter tecken på spinon i en spinnvätska som består av rutenium- och kloratomer. Vid temperaturer en bråkdel av en Kelvin över absolut noll (eller ungefär -452 grader Fahrenheit) och i närvaro av ett högt magnetfält, ruteniumkloridkristaller går in i spinnvätsketillståndet.

Doktorand Peter Czajka och Tong Gao, Ph.D. 2020, kopplade tre mycket känsliga termometrar till kristallen som sitter i ett bad som hålls vid temperaturer nära absolut noll grader Kelvin. De applicerade sedan magnetfältet och en liten mängd värme till en kristallkant för att mäta dess värmeledningsförmåga, en storhet som uttrycker hur väl den leder en värmeström. Om det fanns spinoner, de ska visas som ett oscillerande mönster i en graf över värmeledningsförmågan kontra magnetfältet.

Den oscillerande signalen de letade efter var liten – bara några hundradels gradförändring – så mätningarna krävde en utomordentligt exakt kontroll av provets temperatur samt noggranna kalibreringar av termometrarna i det starka magnetfältet.

Teamet använde de renaste tillgängliga kristallerna, de som odlas vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) under ledning av David Mandrus, professor i materialvetenskap vid University of Tennessee-Knoxville, och Stephen Nagler, direktör för ORNL:s avdelning för kvantkondenserad materia. ORNL-teamet har utförligt studerat kvantspinnvätskans egenskaper hos ruteniumklorid.

I en serie experiment utförda under nästan tre år, Czajka och Gao upptäckte temperatursvängningar i överensstämmelse med spinoner med allt högre upplösning, ger bevis för att elektronen är sammansatt av två partiklar som överensstämmer med Andersons förutsägelse.

"Människor har letat efter denna signatur i fyra decennier, "Ong sa, "Om detta fynd och spinontolkningen valideras, det skulle avsevärt föra fram området för kvantspinnvätskor."

Czajka och Gao tillbringade förra sommaren med att bekräfta experimenten under covid-restriktioner som krävde att de bär masker och upprätthåller social distans.

"Från den rent experimentella sidan, "Czajka sa, "det var spännande att se resultat som i själva verket bryter mot reglerna som man lär sig i elementära fysikklasser."