Ένα υλικό που θεωρούνταν κβαντικό υγρό σπιν (quantum spin liquid), στην πραγματικότητα παρουσιάζει μια νεοανακαλυφθείσα μαγνητική κατάσταση που προκαλείται από τον ανταγωνισμό μεταξύ σιδηρομαγνητικών και αντισιδηρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.
Τα υλικά που εισέρχονται σε φάση κβαντικού υγρού σπιν προσελκύουν σημαντικό ενδιαφέρον λόγω των ασυνήθιστων ιδιοτήτων τους και των πιθανών εφαρμογών τους στην κβαντική υπολογιστική. Ωστόσο, ο κβαντικός κόσμος παρουσιάζει συχνά απρόσμενα αποτελέσματα.
Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Science Advances, με επικεφαλής τον φυσικό του Πανεπιστημίου Rice, Pengcheng Dai, διαπίστωσε ότι το εξαργιλικό μαγνήσιο δημητρίου (CeMgAl11O19) δεν σχηματίζει στην πραγματικότητα κβαντικό υγρό σπιν, παρόλο που παλαιότερες παρατηρήσεις έδειχναν προς αυτή την κατεύθυνση.
Η ανατροπή στην ταξινόμηση του CeMgAl11O19
«Το υλικό είχε ταξινομηθεί ως κβαντικό υγρό σπιν λόγω δύο ιδιοτήτων: της παρατήρησης ενός συνεχούς καταστάσεων και της έλλειψης μαγνητικής τάξης», δήλωσε ο Bin Gao, επικεφαλής συγγραφέας και ερευνητής στο Rice.
«Όμως, η προσεκτικότερη παρατήρηση του υλικού έδειξε ότι η βαθύτερη αιτία αυτών των παρατηρήσεων δεν ήταν μια φάση κβαντικού υγρού σπιν».
Σε μονωτικά υλικά όπως το CeMgAl11O19, τα μαγνητικά ιόντα όπως το δημήτριο μπορούν να υιοθετήσουν μία από δύο διατάξεις: σιδηρομαγνητική ή αντισιδηρομαγνητική.
Σιδηρομαγνητικές έναντι αντισιδηρομαγνητικών καταστάσεων σε μαγνητικά υλικά
Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, τα συμβατικά μη κβαντικά υλικά καταλήγουν σε μια ενιαία διαμόρφωση χαμηλής ενέργειας, μόλις τα ιόντα τους ευθυγραμμιστούν σε μία από αυτές τις μαγνητικές καταστάσεις.
Επειδή όλα τα ιόντα υιοθετούν είτε τη σιδηρομαγνητική είτε την αντισιδηρομαγνητική διάταξη, οι ερευνητές συνήθως παρατηρούν μία μόνο σταθερή κατάσταση χαμηλής ενέργειας.
Σε μια σιδηρομαγνητική κατάσταση, ένα ιόν τείνει να επηρεάζει τα γειτονικά του ιόντα ώστε να ευθυγραμμίζονται στην ίδια κατεύθυνση, οδηγώντας σε μια δομή όπου οι μαγνητικές ροπές δείχνουν προς την ίδια πλευρά.
Σε μια αντισιδηρομαγνητική κατάσταση, τα γειτονικά ιόντα προσανατολίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, δημιουργώντας ένα εναλλασσόμενο μοτίβο. Οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν πώς σχηματίζονται αυτές οι μαγνητικές διατάξεις ψύχοντας το υλικό σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Τα κβαντικά υγρά σπιν συμπεριφέρονται διαφορετικά. Ακόμη και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, αυτά τα υλικά δεν κατασταλάζουν σε μια ενιαία διαμόρφωση. Αντίθετα, τα κβαντομηχανικά φαινόμενα τους επιτρέπουν να μεταβάλλονται συνεχώς μεταξύ πολλαπλών καταστάσεων χαμηλής ενέργειας.
Η δυναμική αυτή συμπεριφορά παράγει ένα συνεχές καταστάσεων αντί για μία μόνο. Επίσης, εμποδίζει το υλικό από το να αναπτύξει ένα σταθερό μαγνητικό μοτίβο, πράγμα που σημαίνει ότι εμφανίζονται τόσο σιδηρομαγνητικές όσο και αντισιδηρομαγνητικές διατάξεις, αντί για μια ενιαία διατεταγμένη δομή.
Ο ανταγωνισμός των αλληλεπιδράσεων και ο εκφυλισμός
Το CeMgAl11O19 εμφάνιζε και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά. Δεν παρουσίαζε καμία σαφή μαγνητική τάξη και παρήγαγε ένα συνεχές καταστάσεων. Ωστόσο, η λεπτομερής ανάλυση αποκάλυψε ότι αυτή η συμπεριφορά δεν προερχόταν από ένα πραγματικό κβαντικό υγρό σπιν. Αντίθετα, προέκυπτε από έναν εκφυλισμό καταστάσεων (degeneracy of states) που προκαλούνταν από τον ανταγωνισμό μεταξύ σιδηρομαγνητικών και αντισιδηρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων εντός του υλικού.
«Μας ενδιέφερε αυτό το υλικό, το οποίο είχε ένα σύνολο χαρακτηριστικών που δεν είχαμε ξαναδεί», δήλωσε ο Tong Chen, συγγραφέας και ερευνητής στο Rice. «Δεν ήταν κβαντικό υγρό σπιν, κι όμως παρατηρούσαμε συμπεριφορές που πιστεύαμε ότι σχετίζονται με το κβαντικό υγρό σπιν».
Για να κατανοήσει την πηγή αυτών των ασυνήθιστων σημάτων, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε πειράματα σκέδασης νετρονίων μαζί με πρόσθετες μετρήσεις. Τα αποτελέσματά τους υπέδειξαν σαφώς ότι το όριο που χωρίζει τη σιδηρομαγνητική από την αντισιδηρομαγνητική κατάσταση στο CeMgAl11O19 είναι πιο ασθενές από ό,τι στα περισσότερα μαγνητικά υλικά.
Λόγω αυτού του ασθενέστερου ορίου, τα μαγνητικά ιόντα μπορούν να μεταπηδούν πιο εύκολα μεταξύ των δύο πιθανοτήτων. Ως αποτέλεσμα, τα ιόντα δεν “κλειδώνουν” σε μια ενιαία διατεταγμένη διαμόρφωση. Αντίθετα, ορισμένα υιοθετούν σιδηρομαγνητική ευθυγράμμιση, ενώ άλλα παραμένουν αντισιδηρομαγνητικά μέσα στην ίδια δομή. Αυτό το μείγμα εμποδίζει τον σχηματισμό μαγνητικής τάξης μεγάλης εμβέλειας.
Ανακάλυψη μιας νέας μαγνητικής κατάστασης της ύλης
Η απουσία τάξης αυξάνει επίσης τον αριθμό των πιθανών διαμορφώσεων χαμηλής ενέργειας που είναι διαθέσιμες στο υλικό. Όταν ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, το CeMgAl11O19 μπορεί να κατασταλάξει σε οποιαδήποτε από τις πολλές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας.
Αυτό παράγει ένα εύρος παρατηρήσιμων καταστάσεων που μοιάζει με το συνεχές (continuum) που συνήθως σχετίζεται με τα κβαντικά υγρά σπιν. Ωστόσο, επειδή το υλικό δεν βρίσκεται πραγματικά σε αυτή τη φάση, δεν μπορεί να μετακινηθεί μεταξύ αυτών των καταστάσεων αφού κατασταλάξει σε μία από αυτές.
«Η μοναδική ικανότητα του υλικού να ‘επιλέγει’ ανάμεσα σε διαφορετικές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας παρήγαγε δεδομένα από παρατηρήσεις πολύ παρόμοια με μια κατάσταση κβαντικού υγρού σπιν», δήλωσε ο Dai, κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Πρόκειται για μια νέα κατάσταση της ύλης την οποία, εξ όσων γνωρίζουμε, είμαστε οι πρώτοι που περιγράφουμε». Ο Dai σημείωσε ότι ανακαλύψεις όπως αυτή υπογραμμίζουν πόσα πολλά έχουν ακόμα να μάθουν οι επιστήμονες για τα κβαντικά υλικά. «Υπογραμμίζει τη σημασία της προσεκτικής παρατήρησης και της ενδελεχούς έρευνας των δεδομένων».