Откриване на ново квантово състояние, аналогично на водата, която няма да замръзне


Екзотично взаимодействие на електрони

Криостат, използван за постигане на температури до 20 миликелвина. Снимка: HZDR/Jürgen Jeibmann

Вода, която просто няма да замръзне, независимо колко студена стане – изследователска група, включваща Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), откри квантово състояние, което може да бъде описано по този начин.

Експерти от Института по физика на твърдото тяло към Токийския университет в Япония, Университета Джон Хопкинс в САЩ и Института Макс Планк за физика на сложните системи (MPI-PKS) в Дрезден, Германия, успяха да охладят специален материал до близо абсолютна нулева температура.

Те откриха, че централно свойство на атомите – тяхното подреждане – не “замръзва”, както обикновено, а остава в “течно” състояние. Новият квантов материал може да служи като моделна система за разработване на нови, високочувствителни квантови сензори. Екипът е представил своите открития в списанието Природна физика.

На пръв поглед квантовите материали не изглеждат по-различно от нормалните вещества, но те със сигурност вършат своето: вътре електроните взаимодействат с необичайна интензивност, както един с друг, така и с атомите на кристалната решетка. Това интимно взаимодействие води до мощни квантови ефекти, които действат не само в микроскопичен, но и в макроскопичен мащаб.

Благодарение на тези ефекти квантовите материали проявяват забележителни свойства. Например, те могат да провеждат електричество напълно без загуби при ниски температури. Често дори леки промени в температурата, налягането или електрическото напрежение са достатъчни, за да променят драстично поведението на материала.

По принцип магнитите също могат да се разглеждат като квантови материали; в края на краищата магнетизмът се основава на присъщото въртене на електроните в материала. „По някакъв начин тези завъртания могат да се държат като течност“, обяснява проф. Йохен Уосница от Дрезденската лаборатория за магнитно поле с високо поле (HLD) в HZDR. „Когато температурите падат, тези неподредени завъртания могат да замръзнат, подобно на водата, която замръзва в лед.“

Например, някои видове магнити, така наречените феромагнетици, са немагнитни над тяхната “точка на замръзване”, или по-точно подредена точка. Само когато паднат под него, те могат да станат постоянни магнити.

Материал с висока чистота

Международният екип възнамеряваше да създаде a колко състояние в която атомното подреждане, което е свързано със завъртанията, не е подредено дори при ултраниски температури – подобно на течност, която няма да се втвърди дори при екстремен студ. За да постигне това състояние, изследователската група използва специален материал – съединение от елементи, празеодим, цирконий и кислород. Те предположиха, че в този материал свойствата на кристалната решетка ще позволят на електронните завъртания да взаимодействат с техните орбитали около атомите по специален начин.

„Предпоставката обаче беше да имаме кристали с изключителна чистота и качество“, обяснява проф. Сатору Накацуджи от Токийския университет. Отне няколко опита, но в крайна сметка екипът успя да произведе достатъчно чисти кристали за своя експеримент: В криостат, нещо като супер термос, експертите постепенно охладиха пробата си до 20 миликелвина – само една петдесета от градуса над абсолютната нула.

За да видите как пробата реагира на този процес на охлаждане и вътре в магнитно поле, те измериха колко се е променило по дължина. В друг експеримент групата записва как кристалът реагира на ултразвукови вълни, изпратени директно през него.

Интимно взаимодействие

Резултатът: „Ако завъртанията бяха поръчани, трябваше да предизвика рязка промяна в поведението на кристала, като внезапна промяна в дължината”, описва д-р Сергей Жерлицин, експерт по ултразвукови изследвания на HLD. “Все пак, както наблюдавахме, нищо не се случи! Нямаше внезапни промени нито в дължината, нито в отговора му на ултразвукови вълни.”

Заключението: Изразеното взаимодействие на спинове и орбитали е предотвратило подреждането, поради което атомите са останали в своето течно квантово състояние – за първи път е наблюдавано такова квантово състояние. По-нататъшни изследвания на магнитни полета потвърдиха това предположение.

Този основен резултат от изследването би могъл да има и практически последици един ден: „В някакъв момент може да успеем да използваме новото квантово състояние, за да разработим високочувствителни квантови сензори“, спекулира Йохен Уосница. “За да направим това обаче, все още трябва да разберем как да генерираме систематично възбуждане в това състояние.”

Квантовото наблюдение се смята за обещаваща технология на бъдещето. Тъй като тяхната квантова природа ги прави изключително чувствителни към външни стимули, квантовите сензори могат да регистрират магнитни полета или температури с много по-голяма точност от конвенционалните сензори.

Повече информация:
Сатору Накацуджи, Спин-орбитално течно състояние и метамагнитен преход течност-газ върху пирохлорна решетка, Природна физика (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4

Цитат: Откриване на ново квантово състояние, аналогично на водата, която няма да замръзне (2022 г., 1 декември), извлечено на 2 декември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-12-discovery-quantum-state-analogous-wont. html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.