Forskare Upptäck en ny tillstånd: Quantum Spin Liquid

Fysiker på Oak Ridge National Laboratory i Tennessee och University of Cambridge har tillsammans upptäckt en ny materia. De banbrytande resultaten, rapporterade i tidningen Natur, detaljera observationerna av det lång-teoretiserade, men ständigt elusiva tillståndet som kallas "quantum spin liquid" - där elektroner uppenbarligen bryts in i mindre bitar.

"Det här är en ny kvantitetstilstand, som förutspåddes men det har inte sett tidigare", säger Johannes Knolle, en forskare vid Cambridge Cavendish Laboratory och en av pappets medförfattare, i ett pressmeddelande.

Vem som helst med grundläggande kunskaper om fysik vet att det finns tre huvudämnen av materia: fasta ämnen, vätskor och gaser. Människor med lite mer kunskap kan känna till de andra två klassiska staterna: plasmaer (fria laddade partiklar som utgör hög energi händelser) och kolloider ("i betweens" utgör två stater samtidigt, som smör).

Ändå finns det mer än ett dussin andra stater som existerar, de som bara är observerbara på mycket små skalor eller under mycket fenomenella händelser. En av dessa är kvantespinnvätska: ett kaotiskt tillstånd som kräver lite mer förklaring innan du verkligen kan ta huvudet runt vad som händer.

Enligt kvantmekanik kan varje partikel uppvisa två slags vinkelmoment. Den första är orbital vinkelmomentet, och den andra är spinn. En grov analogi för dessa två respektive handlingar är en planet som roterar runt solen och uppvisar både en omlopp och en axiell spinn.

När ett system har uppnått en serie interagerande kvantespinn, anses det vara i ett oordnat tillstånd på samma sätt som flytande vatten är störd i jämförelse med fast is. Quantum spin-vätska har liknande beteende, men vid låga temperaturer. I stället för att komma ihop i ett likformigt mönster, som att samla en substans i ett fast tillstånd, kommer en bit av materia som är i kvantvätskespinnning att fortsätta att fungera oregelbundet som en varm rubbning av soppa. Faktum är att aktiviteten är så extrem att partiklarna faktiskt faller ihop. Det är en scen som motsätter exakt vad du kan förvänta dig i kalla miljöer.

I detta fall observerade forskargruppen partikelpartiklar som kallades Majorana-fermioner i ett tvådimensionellt material som liknar grafen. Vad de observerade liknade en hypotetisk quantum spin flytande modell som kallas Kitaev-modellen. Resultaten stavar äntligen slutet på en 40-årig sökning efter denna materia.

Mer specifikt kolliderar de nya kvanta-spridningsvätskobservationerna på en egenskap som kallas elektronuppdelning, vilket en dag kunde bidra till att bygga nya typer av kvanta datorer som fungerar långt snabbare än dagens maskiner genom att kringgå gränserna för konventionella material.

Den typen av genombrott är årtionden in i framtiden. Det enda faktumet att vi har kunnat observera en ny materia i köttet är bara ett annat tecken på att människor ännu inte har börjat skrapa ytan för att förstå hur naturvärlden fungerar.