Przez lata dowody na ich istnienie były bardziej spekulacją teoretyczną niż faktem eksperymentalnym. Sytuacja wydaje się zmieniać za sprawą nowych badań, które nie tylko potwierdzają istnienie tego egzotycznego stanu, ale też rzucają nowe światło na jego naturę.
Spiny, które nie potrafią się uspokoić. Klucz do zrozumienia chaosu
Aby pojąć, czym są kwantowe ciecze spinowe, warto przypomnieć sobie działanie zwykłego magnesu. W standardowych materiałach ferromagnetycznych wewnętrzne momenty pędu elektronów, czyli spiny, spontanicznie ustawiają się w jednym kierunku po schłodzeniu, tworząc trwałe namagnesowanie. W kwantowych cieczach spinowych panuje zupełnie inny porządek, a właściwie jego brak. Spiny w tych materiałach pozostają w ciągłym, kipiącym ruchu, fluktuując nawet w ekstremalnie niskich temperaturach, gdzie każda inna substancja już dawno zamarłaby w sztywnym uporządkowaniu. Źródłem tego kwantowego zamętu jest zjawisko splątania dalekiego zasięgu, które wiąże ze sobą stany elektronów na duże odległości.
Czytaj także: Teleportacja kwantowa robi milowy krok do przodu. Niemieccy badacze łączą różne źródła światła
Jednym z głównych problemów w badaniu tych stanów jest ich nieuchwytność. Nie pozostawiają one bezpośrednich, łatwych do wykrycia śladów, jakie generują tradycyjne magnesy. Przez ponad dwie dekady zespoły, takie jak grupa prof. Younga S. Lee z Uniwersytetu Stanforda, szukały bezpośrednich dowodów na ich istnienie. Ich strategia koncentrowała się na materiałach o specyficznej strukturze atomowej zwanej siatką kagome, przypominającej wzór zazębiających się trójkątów. Ta geometria naturalnie „zaburza” spiny, uniemożliwiając im osiągnięcie stabilnego, uporządkowanego układu, co teoretycznie tworzy idealne warunki dla powstania cieczy spinowej.
Neutrony jako detektyw kwantowy. Zaglądanie w głąb materiału
Aby zajrzeć w serce tego kwantowego chaosu, naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory i Stanford University musieli sięgnąć po zaawansowaną technikę. Zsyntetyzowali wysokiej jakości monokryształy materiału o nazwie Zn-barlowit, a następnie schłodzili je do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Następnie zbombardowali próbki wiązką neutronów, stosując metodę nieelastycznego rozpraszania neutronów. Cząstki te, pozbawione ładunku elektrycznego, są idealnymi sondami do badania momentów magnetycznych, ponieważ wnikają głęboko w materiał i oddziałują bezpośrednio ze spinami elektronów. Analizując sposób ich rozproszenia, fizycy mogli zobrazować, jak spiny są ze sobą skorelowane i jak fluktuują w czasie.
Spinony zamiast magnonów
Odkrycie, które opublikowano w październiku 2025 roku w Nature Physics, było jednoznaczne. W Zn-barlowicie zamiast konwencjonalnych wzbudzeń magnetycznych, zwanych magnonami, zaobserwowano egzotyczne cząstki – spinony. To tak, jakby fala na wodzie mogła się rozszczepić na dwie oddzielne, mniejsze fale, z których każda niesie tylko ułamek energii. Taka „frankcjonalizacja” wzbudzeń jest charakterystyczną cechą silnie splątanych układów kwantowych i stanowi mocny dowód na istnienie cieczy spinowej. Co ważne, zaobserwowane zachowanie niemal idealnie zgadzało się z przewidywaniami zaawansowanych symulacji numerycznych.
Ciecz spinowa nie jest wyjątkiem
Najciekawszy wniosek płynie jednak z porównania z wcześniejszymi danymi. Zachowanie spinonów w Zn-barlowicie okazało się zdumiewająco podobne do tego, co wcześniej zaobserwowano w innym materiale kagome – herbertsmithicie. To podobieństwo sugeruje coś przełomowego: kwantowe ciecze spinowe mogą nie być rzadkim laboratoryjnym kuriozum, lecz uniwersalną, fundamentalną cechą całej klasy materiałów o strukturze kagome. To otwiera zupełnie nową perspektywę dla fizyki materii skondensowanej, wskazując na istnienie całej rodziny materiałów o tych samych egzotycznych właściwościach.
Czytaj także: Ekstremalny nacisk zmienia zwykły materiał w kwantową zagadkę. Naukowcy odkryli klucz do budowy odpornych na błędy kubitów
Naturalnie rodzi się pytanie o praktyczne konsekwencje. Kwantowe ciecze spinowe z definicji posiadają rozległe splątanie kwantowe, które jest kluczowym zasobem dla przyszłych komputerów kwantowych i technologii kryptograficznych. Teoretycznie ich egzotyczne właściwości mogłyby zostać wykorzystane do budowy bardziej odpornych kubitów czy nowych rodzajów pamięci. Trzeba jednak zachować zdrowy rozsądek i umiarkowany optymizm. Główną przeszkodą pozostaje wciąż brak bezpośrednich metod pomiaru i kontroli splątania wewnątrz materiałów stałych. Obecne techniki, takie jak rozpraszanie neutronów, są kosztowne, skomplikowane i dają jedynie pośrednie wnioski. Zespół Lee’ego planuje dalsze badania nad nowymi sposobami charakteryzowania tych stanów, ale droga od potwierdzenia fundamentalnego zjawiska do jego technologicznego zastosowania jest zwykle długa i wyboista.
Nowy rozdział w fizyce materii skondensowanej
Po dekadach teoretycznych dociekań mamy wreszcie solidne, eksperymentalne dowody na realne istnienie kwantowych cieczy spinowych. Co więcej, okazują się one prawdopodobnie znacznie powszechniejsze, niż sądzono. To odkrycie nie zamyka, a otwiera nowy, pasjonujący rozdział w nauce o materii. Pozostaje pytanie, jak szybko uda nam się nie tylko zrozumieć ten kwantowy chaos, ale także okiełznać go dla przyszłych technologii. Na odpowiedź przyjdzie nam jeszcze poczekać, ale sama podróż w głąb kwantowego świata jest już sama w sobie niezwykle satysfakcjonująca.