Ekstremalne warunki tworzą niezwykłe właściwości
Zespół z Argonne National Laboratory przeprowadził eksperymenty z materiałem znanym jako NCSO poddawanym ciśnieniu przekraczającemu milion atmosfer. Wykorzystując specjalne komory z diamentami, naukowcy osiągnęli warunki około tysiąc razy bardziej ekstremalne niż te panujące na dnie oceanu. W takich okolicznościach zaobserwowano zachowania wskazujące na zbliżanie się do stanu kwantowej cieczy spinowej. W tym szczególnym stanie elektrony nigdy nie ustają w swoim ruchu, nawet w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Ciśnienie zapewnia sposób na zmniejszenie separacji między atomami i ich elektronami. Regulując tę odległość, możemy wprowadzić kryształ magnetyczny w stan frustracji. Przy pewnym ekstremalnym ciśnieniu magnetyzm znika – i pojawia się ciecz spinowa – wyjaśnia Gilberto Fabbris, fizyk APS
Materiał NCSO charakteryzuje się specyficzną budową, gdzie atomy kobaltu tworzą układ przypominający plaster miodu. Taka geometria prowadzi do zjawiska frustracji magnetycznej, w którym spiny elektronów nie mogą osiągnąć stabilnego ułożenia. Daniel Haskel z Argonne w przystępny sposób wyjaśnia to zjawisko:
W tych materiałach to nie atomy pozostają płynne, jak w zwykłej cieczy, lecz maleńkie orientacje magnetyczne – czyli spiny – elektronów. Każdy spin chce “dogadać się” ze swoimi sąsiadami, wyrównując się w sposób, który wszystkich zadowala. Ale gdy spiny są ściśnięte pod ciśnieniem, zadowolenie każdego sąsiada staje się niemożliwe
Badania wykazały, że przy ciśnieniu około 60 GPa nastąpiło trzykrotne wzmocnienie oddziaływań ferromagnetycznych w porównaniu z warunkami normalnymi.
Przełomowe zmiany w materiale
Gdy ciśnienie przekroczyło 70 GPa, zaobserwowano istotną zmianę stanu spinowego: jony kobaltu przeszły z konfiguracji wysokospinowej na niskospinową. Ta transformacja radykalnie wpłynęła na właściwości magnetyczne badanej substancji. Przy wartości 100 GPa podatność magnetyczna materiału praktycznie zanikła. Analizy spektroskopowe potwierdziły, iż NCSO zachowuje charakter izolatora nawet przy 111 GPa, z minimalną przerwą energetyczną około 1 eV. Opublikowane wyniki badań wskazują na zbliżanie się do stanu cieczy spinowej. Chociaż zaobserwowane zjawiska różnią się od teoretycznych przewidywań, odkrycie otwiera nowe możliwości badawcze.
Kwantowe ciecze spinowe z zabezpieczeniami topologicznymi mogłyby stać się podstawą dla kubitów nowej generacji. W odróżnieniu od obecnie stosowanych rozwiązań, takie kubity byłyby naturalnie chronione przed zakłócającym wpływem czynników zewnętrznych.
Niektóre typy kwantowych cieczy spinowych mogłyby służyć jako nowa platforma dla kubitów, podstawowych bloków budulcowych komputera kwantowego – zauważa Eduardo Poldi, University of Illinois Chicago
Stabilność kluczowa dla przyszłych zastosowań
Topologicznie zabezpieczone kwantowe ciecze spinowe oferują unikalną możliwość przechowywania informacji kwantowej w sposób odporny na zakłócenia. Ich wzbudzenia mogłyby pełnić funkcję stabilnych nośników danych, co stanowiłoby znaczący postęp w pracach nad praktycznym wykorzystaniem technologii kwantowych. Obecnie trwająca modernizacja Advanced Photon Source umożliwi naukowcom badanie materiałów w warunkach pięciokrotnie wyższego ciśnienia. To może prowadzić do odkrycia jeszcze bardziej niezwykłych stanów kwantowych. Badania prowadzone w ekstremalnych warunkach otwierają nowe ścieżki eksploracji stanów magnetycznych w materiałach o strukturze plastra miodu. W świetle najnowszych doniesień fizycy znaleźli się o krok bliżej do zrozumienia fundamentalnych zasad rządzących materią w skali kwantowej.