Nowe badanie dotyczące związku CeMgAl11O19, prowadzone przez zespół współkierowany przez fizyków z Rice University, pokazuje, że ten materiał wcale nie jest kwantową cieczą spinową. Co więcej, badacze twierdzą, że mają do czynienia z czymś, czego dotąd porządnie nie opisano: nowym, niekwantowym stanem materii, który wyjątkowo skutecznie podszywa się pod stan kwantowy. Wyniki opublikowano w Science Advances.
Materiał, który zachowywał się jak kwantowa iluzja
Powód całego zamieszania był z pozoru prosty. CeMgAl11O19 wykazywał dwie cechy, które bardzo często prowadzą badaczy w stronę kwantowej cieczy spinowej: brak klasycznego uporządkowania magnetycznego oraz obserwację kontinuum stanów wzbudzonych. To właśnie te dwa tropy sprawiły, że materiał trafił do tej samej rozmowy, co jedne z najbardziej fascynujących kandydatów na egzotyczne fazy materii.
Kwantowa ciecz spinowa sama w sobie jest jednym z tych pojęć, które brzmią jak oksymoron. Nie chodzi tu o zwykłą ciecz, tylko o stan magnetyczny, w którym spiny nie zamarzają w sztywnym porządku, nawet przy bardzo niskich temperaturach. Zamiast ustawić się w grzeczny, przewidywalny wzór, zachowują się bardziej jak tłum ludzi na placu, który nigdy nie formuje idealnych rzędów, choć każdy cały czas reaguje na innych. To właśnie ta permanentna, zbiorowa niejednoznaczność czyni takie układy tak atrakcyjnymi dla fizyków badających zjawiska związane z egzotyczną materią i potencjalnie z informatyką kwantową.
Tutaj jednak podobieństwo okazało się mylące. Zespół Rice doszedł do wniosku, że obserwowane kontinuum nie bierze się z prawdziwej kwantowej cieczy spinowej, lecz z degeneracji stanów wywołanej konkurencją między oddziaływaniami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi. Innymi słowy, materiał nie był kwantowym buntownikiem, tylko mistrzem zawieszenia broni między dwiema sprzecznymi tendencjami.
Zamiast jednego porządku powstał magnetyczny pat
W zwykłych materiałach magnetycznych sytuacja jest zazwyczaj bardziej jednoznaczna. Jeśli układ sprzyja ferromagnetyzmowi, sąsiednie momenty magnetyczne ustawiają się zgodnie, jak widownia robiąca stadionową falę w jednym kierunku. Jeśli dominuje antyferromagnetyzm, ustawiają się naprzemiennie, bardziej jak dwa zwaśnione rzędy, które pilnują, by nikt nie zrobił kroku tak samo jak sąsiad. W CeMgAl11O19 granica między tymi dwiema skłonnościami okazała się niezwykle słaba.
To właśnie ten chwiejny balans zmienił wszystko. Badacze opisują, że jony magnetyczne miały tu znacznie większą swobodę przechodzenia między konfiguracjami ferromagnetycznymi i antyferromagnetycznymi. W rezultacie materiał nie wybrał jednego, stabilnego porządku. Zamiast tego w tej samej strukturze współistniały lokalne tendencje obu typów, a brak pełnego uporządkowania otworzył całą gamę niskoenergetycznych możliwości.
Kiedy temperaturę obniżono niemal do zera, materiał mógł “wybierać” spośród wielu blisko położonych energetycznie stanów. I tu właśnie rodzi się złudzenie. Z zewnątrz wygląda to podobnie do kwantowej cieczy spinowej, bo badacze także widzą szerokie spektrum wzbudzeń zamiast jednego schludnego sygnału. Różnica jest jednak zasadnicza: w prawdziwym stanie kwantowym układ może przechodzić między tymi stanami dzięki mechanice kwantowej, natomiast tutaj, po wejściu w jeden z niskoenergetycznych stanów, już się między nimi nie przełączał. To nie był taniec, tylko seria zatrzymań, które z oddali udawały ruch.
Do rozplątania tej historii potrzebne były nie tylko intuicja i teoria, ale też bardzo konkretne eksperymenty. Zespół bombardował materiał neutronami i wykonywał dodatkowe pomiary, które pozwoliły lepiej odczytać jego zachowanie magnetyczne. To trochę jak z prześwietlaniem mechanizmu zegarka: dopóki patrzy się tylko na tarczę, łatwo zachwycić się ruchem wskazówek, ale dopiero zajrzenie do środka pokazuje, czy pracuje tam sprężyna, wahadło czy zupełnie inny mechanizm.
Samo odkrycie jest ciekawe również dlatego, że przypomina o czymś niewygodnym dla wszystkich, którzy lubią spektakularne naukowe etykiety. W fizyce “nowy stan kwantowy” brzmi jak nagłówek idealny. Tylko że przyroda nie ma obowiązku dopasowywać się do naszych ulubionych kategorii. CeMgAl11O19 nie okazał się potwierdzeniem znanej egzotyki, lecz czymś bardziej kłopotliwym i przez to bardziej interesującym: układem, który zmusza badaczy do dopisania nowego rozdziału tam, gdzie wydawało się, że wystarczy przypis.
Źródła: Phys; Rice University