Forskere oppdager en ny tilstand: Quantum Spin Liquid

Fysikere ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee og University of Cambridge har sammen oppdaget en ny tilstand av saken. De banebrytende funnene, rapportert i tidsskriftet Natur, detaljer i observasjonene av den langteoretiserte, men evigvarende tilstanden kjent som "kvantesprengningsvæske" - der elektroner tilsynelatende brytes inn i mindre stykker.

"Dette er en ny kvantetilstand, som har blitt spådd, men ikke blitt sett før," sa Johannes Knolle, en forsker ved Cambridges Cavendish Laboratory og en av papirets medforfattere, i en pressemelding.

Alle med grunnleggende kunnskaper om fysikk vet at det er tre hovedstater av materie: faste stoffer, væsker og gasser. Folk med litt mer kunnskap kan kjenne til de andre to klassiske tilstandene: plasmaer (gratis ladede partikler som utgjør høye energihendelser) og kolloider ("i betweens" utgjør to stater samtidig, som smør).

Likevel er det mer enn et dusin andre stater som eksisterer, de som bare er observerbare på svært små skalaer eller under svært fenomenale hendelser. En av disse er kvantespinnvæske: en kaotisk tilstand som krever litt mer forklaring før du virkelig kan få hodet rundt hva som skjer.

Ifølge kvantemekanikk kan hver partikkel utvise to typer vinkelmoment. Den første er orbital vinkel momentum, og den andre er spinn. En grov analogi for disse to respektive handlinger er en planet som roterer rundt solen, og viser både en bane og en aksial spinn.

Når et system har oppnådd en rekke interagerende kvantespinn, antas det å være i uorden, på samme måte som flytende vann er uordnet i forhold til solid is. Quantum spin væske har lignende oppførsel, men ved lave temperaturer. I stedet for å komme sammen i et ensartet mønster, for eksempel å bringe stoffer sammen i en fast tilstand, vil en del av saken som er i kvantevæskespinn fortsette å virke urettferdig som et varmt rot av suppe. Faktisk er aktiviteten så ekstrem at partiklene faktisk faller fra hverandre. Det er en scene som motsetter akkurat det du forventer i kalde omgivelser.

I dette tilfellet observert forskerholdet partikulære partikler kjent som Majorana fermioner i et todimensjonalt materiale som ligner på grafen. Det de observert, lignet en hypotetisk quantum spin flytende modell kjent som Kitaev modellen. Resultatene til slutt staver slutten på en 40-årig søk etter denne tilstanden av saken.

Mer spesifikt kaster de nye kvantespringvæskeobservasjonene lys på en egenskap som kalles elektron-splitting, noe som en dag kunne bidra til å konstruere nye typer kvante datamaskiner som fungerer langt raskere enn dagens maskiner ved å omgå grensene for konvensjonelle materialer.

Den slags gjennombrudd er årtier i fremtiden. Men det faktum at vi har kunnet observere en ny tilstand av materie i kjødet, er bare et tegn på at mennesker ennå ikke har å skrape overflaten i å forstå akkurat hvordan den naturlige verden fungerer.