Setelah beberapa dekade pencarian, keadaan baru yang eksotis akhirnya dapat ditemukan: tim peneliti internasional, termasuk Tu Wien, menyajikan bukti yang kuat.
Sejak tahun 1970-an, para ilmuwan berspekulasi apakah bahan bisa ada yang menunjukkan bentuk yang sangat khusus dari gangguan magnetik-yang disebut cairan spin kuantum (QSL).
Bahan -bahan semacam itu sangat menarik karena beberapa alasan. Mereka dapat memegang kunci untuk mengembangkan jenis superkonduktor baru, dan mereka dapat membuka kemungkinan baru di bidang komputasi kuantum dan teknologi terkait. Tetapi cairan putaran kuantum nyata telah terbukti sangat sulit ditemukan. Banyak percobaan telah dilakukan, khususnya pada bahan dua dimensi. Tetapi meskipun fitur -fitur QSL yang menjanjikan telah ditemukan, tidak pernah ada kesepakatan penuh antara eksperimen dan teori.
Sekarang, tim internasional yang melibatkan Tu Wien, Rice University di Texas, Universitas Toronto, Universitas Rutgers, dan beberapa fasilitas hamburan neutron telah mengidentifikasi kandidat yang menarik pertama untuk cairan spin kuantum tiga dimensi yang asli. Eksperimen pada cerium zirkonat (Ce2ZR2O7) mengungkapkan tanda tangan kunci yang diharapkan untuk yang termasuk yang disebut foton yang muncul. Ini bukan foton yang sebenarnya tetapi rangsangan magnetik dalam bahan yang berperilaku dengan cara yang sangat mirip dengan foton. Temuan ini baru -baru ini diterbitkan dalam jurnal Nature Physics.
Magnet yang dipesan, cairan yang tidak teratur
Dalam magnet biasa, momentum sudut mekanik mekanik kuantum dari partikel-secara menyelaraskan ke dalam pola reguler. Misalnya, dalam ferromagnet, semua putaran titik dalam arah yang sama di bawah suhu kritis tertentu.
Tetapi ada juga bahan di mana, bahkan pada nol absolut, putaran menolak untuk menyelesaikan konfigurasi statis apa pun. Sebaliknya, mereka tetap dalam keadaan fluktuasi kuantum konstan.
“Mereka berperilaku seperti bentuk magnet yang cair tanpa pemesanan tetap,” jelas Prof. Silke Bühler-Paschen dari Institute of Solid State Physics di Tu Wien.
Oleh karena itu cairan spin kuantum bukanlah cairan dalam indera tradisional-itu adalah kristal padat. Istilah “cair” mengacu pada tidak adanya urutan magnetik dalam sistem putaran.
Meskipun putaran individu dalam sistem seperti itu tetap tidak teratur dan menunjuk ke berbagai arah, mereka masih secara mekanis terjerat. Arah mereka tampak acak, tetapi mereka pada dasarnya terkait: pengukuran satu putaran dapat mempengaruhi keadaan orang lain. Keterikatan inilah yang membuat cairan spin kuantum menjadi platform yang menjanjikan untuk teknologi kuantum di masa depan.
Foton yang muncul – cahaya yang tidak ringan
Menunjukkan bahwa suatu bahan benar -benar membentuk cairan putaran kuantum sangat sulit.
“Itulah mengapa terobosan nyata di daerah ini tetap sulit dipahami selama beberapa dekade,” kata Silke Bühler-Paschen. “Kami mempelajari cerium zirkonat, yang membentuk jaringan putaran tiga dimensi dan tidak menunjukkan pemesanan magnetik bahkan pada suhu serendah 20 millikelvin. Untuk pertama kalinya, kami mampu mendeteksi sinyal yang sangat menunjukkan cairan kuantum tiga dimensi-partikularis, keberadaan foton muncul yang ditangguhkan.”
Sama seperti gelombang dapat melakukan perjalanan melalui air cair saat terganggu, gelombang dapat merambat melalui sistem putaran cairan spin kuantum. Gelombang -gelombang ini berperilaku dalam banyak hal seperti cahaya, meskipun mereka tidak bersifat elektromagnetik, melainkan rangsangan kolektif dari sejumlah besar putaran. Namun secara matematis, mereka mengikuti persamaan yang sama dengan foton nyata dalam elektrodinamika. Sinyal yang diamati cocok dengan prediksi teoretis dalam hal energi, momentum, dan polarisasi.
“Penemuan foton yang muncul dalam cerium zirkonat ini merupakan indikasi yang sangat kuat bahwa kami memang telah menemukan cairan spin kuantum,” kata Silke Bühler-Paschen. “Kami berencana untuk melakukan eksperimen lebih lanjut, tetapi dari perspektif kami, Cerium zirkonat saat ini adalah kandidat yang paling meyakinkan untuk cairan putaran kuantum.” Studi resolusi tinggi lebih lanjut dan investigasi materi terkait sudah direncanakan.
Publikasi asli
B. Gao et al., Hamburan neutron dan bukti termodinamika untuk foton yang muncul dan fraksialisasi dalam es spin pyrochlore, Nat. Phys. (2025).
