Kryształ o niezwykłych właściwościach
Badania opublikowane na łamach Science Advances koncentrują się na tzw. układzie spinowym o efektywnym spinie 1/2, zbudowanym na dwuwymiarowej sieci trójkątnej. W takich strukturach dochodzi do występowania zjawiska frustracji geometrycznej. W jego ramach oddziaływania magnetyczne nie mogą zostać jednocześnie spełnione dla wszystkich sąsiadujących cząstek. W efekcie układ nie tworzy klasycznego porządku magnetycznego nawet w temperaturze bliskiej zera absolutnego.
Czytaj też: Chiny chwalą się najmniejszym takim tranzystorem świata. Klucz tkwi nie w rozmiarze, ale w napięciu
Zamiast tego pojawia się stan określany jako kwantowa ciecz spinowa. W takich okolicznościach spiny elektronów pozostają w ciągłym ruchu i są ze sobą silnie splątane kwantowo, nie zmieniając się w uporządkowaną strukturę. To zjawisko od dekad było przewidywane pod względem teoretycznym, lecz jego jednoznaczna identyfikacja w rzeczywistych materiałach pozostawała ogromnym wyzwaniem.
Kluczowym odkryciem w przypadku CeMgAl₁₁O₁₉ jest obserwacja tzw. kontinuum wzbudzeń spinowych. W typowych materiałach magnetycznych energia rozchodzi się w postaci uporządkowanych fal spinowych, czyli magnonów. Tutaj jednak badacze zaobserwowali rozmyte spektrum energii, które wskazuje na rozpad tych wzbudzeń na bardziej fundamentalne, ułamkowe ekscytacje.
Pierwszy taki materiał znany nauce
Co szczególnie istotne, wyniki sugerują, jakoby zjawisko to nie wynikało wyłącznie z czysto kwantowych efektów, lecz z degeneracji stanów podstawowych. Mówimy o sytuacji, w której układ ma wiele równorzędnych konfiguracji o tej samej energii. Naukowcy wykazali, iż obserwowane kontinuum można odtworzyć jako superpozycję fal spinowych pochodzących z wielu takich stanów.
To czyni CeMgAl₁₁O₁₉ wyjątkowym przypadkiem. Według autorów wspomnianej publikacji jest to pierwszy znany materiał, który realizuje dokładnie rozwiązywalny model cieczy spinowej na sieci trójkątnej. Innymi słowy, jego zachowanie można opisać matematycznie z dużą precyzją, co jest niezwykle rzadkie w fizyce układów silnie skorelowanych. Dodatkowe eksperymenty sugerują, że nawet w ekstremalnie niskich temperaturach spiny w tym materiale nie “zamarzają”. Zamiast tego nadal fluktuują, co dodatkowo potwierdza jego egzotyczny charakter.
Czytaj też: Przestali kombinować i zrobili najlepsze ogniwa perowskitowe. Efekt zaskoczył nawet autorów
To istotne doniesienia, między innymi ze względu na fakt, iż kwantowe ciecze spinowe są rozważane jako potencjalna platforma dla przyszłych technologii, w tym komputerów kwantowych. Ich unikalne właściwości, takie jak splątanie i obecność ułamkowych wzbudzeń, mogą umożliwić tworzenie bardziej stabilnych systemów przetwarzania informacji.
Źródło: Science Advances
