Det är inte varje dag som någon stöter på ett nytt materiatillstånd inom kvantfysiken, det vetenskapliga fältet som ägnas åt att beskriva beteendet hos atomära och subatomära partiklar för att belysa deras egenskaper.

Ändå är det precis vad ett internationellt team av forskare som inkluderar Andrea Bianchi, fysikprofessor vid University of Montreal och forskare vid Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, och hans studenter Avner Fitterman och Jérémi Dudemaine har gjort.

I en nyligen publicerad artikel i den vetenskapliga tidskriftenPhysical Review X , dokumenterar forskarna ett "kvantspin flytande grundtillstånd" i ett magnetiskt material skapat i Bianchis labb:Ce₂ Zr₂ O₇ , en förening som består av cerium, zirkonium och syre.

Som en vätska instängd i ett extremt kallt fast ämne

Inom kvantfysiken är spinn en intern egenskap hos elektroner kopplad till deras rotation. Det är spinn som ger materialet i en magnet dess magnetiska egenskaper.

I vissa material resulterar spinn i en oorganiserad struktur som liknar den hos molekyler i en vätska, därav uttrycket "spinvätska."

I allmänhet blir ett material mer oorganiserat när dess temperatur stiger. Detta är till exempel fallet när vatten förvandlas till ånga. Men det huvudsakliga kännetecknet för spinnvätskor är att de förblir oorganiserade även när de kyls ned till absoluta nollpunkten (–273°C).

Spinnvätskor förblir oorganiserade eftersom rotationsriktningen fortsätter att fluktuera när materialet kyls istället för att stabiliseras i fast tillstånd, som det gör i en konventionell magnet, där alla spinn är inriktade.

Konsten att "frustrera" elektroner

Föreställ dig en elektron som en liten kompass som pekar antingen uppåt eller nedåt. I konventionella magneter är alla elektronsnurr orienterade i samma riktning, uppåt eller nedåt, vilket skapar vad som kallas en "ferromagnetisk fas". Det är detta som håller foton och anteckningar fästa i ditt kylskåp.

Men i kvantspinnvätskor är elektronerna placerade i ett triangulärt gitter och bildar en "ménage à trois" som kännetecknas av intensiv turbulens som stör deras ordning. Resultatet är en intrasslad vågfunktion och ingen magnetisk ordning.

"När en tredje elektron läggs till kan elektronsnurrarna inte passa ihop eftersom de två angränsande elektronerna alltid måste ha motsatta snurr, vilket skapar vad vi kallar magnetisk frustration," förklarade Bianchi. "Detta genererar excitationer som upprätthåller oordningen av snurr och därmed det flytande tillståndet, även vid mycket låga temperaturer."

Så hur lade de till en tredje elektron och orsakade sådan frustration?

Skapa en ménage à trois

Gå in i den frustrerade magneten Ce₂ Zr₂ O₇ skapad av Bianchi i hans labb. Till hans redan långa lista över prestationer i att utveckla avancerade material som supraledare kan vi nu lägga till "mästaren i konsten att frustrerande magneter."

Ce₂ Zr₂ O₇ är ett ceriumbaserat material med magnetiska egenskaper. "Förekomsten av denna förening var känd," sa Bianchi. "Vårt genombrott var att skapa den i en unik ren form. Vi använde prover smälta i en optisk ugn för att producera ett nästan perfekt triangulärt arrangemang av atomer och kontrollerade sedan kvanttillståndet."

Det var denna nästan perfekta triangel som gjorde det möjligt för Bianchi och hans team på UdeM att skapa magnetisk frustration i Ce₂ Zr₂ O₇ . I samarbete med forskare vid McMaster och Colorado State University, Los Alamos National Laboratory och Max Planck Institute for the Physics of Complex System i Dresden, Tyskland, mätte de föreningens magnetiska diffusion.

"Våra mätningar visade en överlappande partikelfunktion - därför inga Bragg-toppar - ett tydligt tecken på frånvaron av klassisk magnetisk ordning", säger Bianchi. "Vi observerade också en fördelning av snurr med kontinuerligt fluktuerande riktningar, vilket är karakteristiskt för spinnvätskor och magnetisk frustration. Detta indikerar att materialet vi skapade beter sig som en äkta spinnvätska vid låga temperaturer."

Från dröm till verklighet

Efter att ha bekräftat dessa observationer med datorsimuleringar drog teamet slutsatsen att de verkligen bevittnade ett aldrig tidigare skådat kvanttillstånd.

"Att identifiera ett nytt kvanttillstånd av materia är en dröm som går i uppfyllelse för varje fysiker," sa Bianchi. "Vårt material är revolutionerande eftersom vi är de första att visa att det verkligen kan presenteras som en spinnvätska. Den här upptäckten kan öppna dörren till nya tillvägagångssätt för att designa kvantdatorer."

Frustrerade magneter i ett nötskal

Magnetism är ett kollektivt fenomen där elektronerna i ett material alla snurrar åt samma håll. Ett vardagligt exempel är ferromagneten, som har sina magnetiska egenskaper till följd av inriktningen av snurr. Närliggande elektroner kan också snurra i motsatta riktningar. I det här fallet har snurren fortfarande väldefinierade riktningar men det finns ingen magnetisering. Frustrerade magneter är frustrerade eftersom de angränsande elektronerna försöker orientera sina snurr i motsatta riktningar, och när de befinner sig i ett triangulärt gitter kan de inte längre bosätta sig på ett gemensamt, stabilt arrangemang. Resultatet:en frustrerad magnet. + Utforska vidare

Beräkningsundersökning bekräftar den första 3D-kvantspinnvätskan