Vědci objevují nový stav hmoty: Quantum Spin Liquid

Fyzici z Oak Ridge National Laboratory v Tennessee a University of Cambridge společně objevili nový stav hmoty. Průlomové nálezy uvedené v časopise Příroda, detail pozorování dlouho-teorized ale někdy-nepolapitelný stav známý jak “kvantová rotační kapalina” - ve kterém elektrony zdánlivě se rozpadnou na menší kousky.

„Jedná se o nový kvantový stav hmoty, který byl předpovězen, ale dosud nebyl pozorován,“ řekl Johannes Knolle, vědec z laboratoře Cambridge Cavendish Laboratory a jeden ze spoluautorů v tiskové zprávě.

Každý, kdo má základní znalosti fyziky, ví, že existují tři hlavní stavy hmoty: pevné látky, kapaliny a plyny. Lidé, kteří mají o něco více znalostí, by mohli znát další dva klasické stavy: plazma (volné nabité částice, které vytvářejí události s vysokou energií) a koloidy („betweens“ tvoří dva stavy najednou, jako máslo).

Existuje však více než tucet dalších států, které existují, které jsou pozorovatelné pouze ve velmi malých měřítcích nebo pod velmi fenomenálními událostmi. Jedním z nich je kvantová spinová kapalina: chaotický stav, který vyžaduje trochu více vysvětlení, než budete moci skutečně dostat hlavu kolem toho, co se děje.

Podle kvantové mechaniky může každá částice vykazovat dva druhy hybnosti. První z nich je orbitální moment hybnosti a druhý spin. Hrubá analogie pro tyto dvě akce je planeta, která se otáčí kolem Slunce a vykazuje oběžné dráhy a axiální rotaci.

Když systém dosáhl řady interagujících kvantových spinů, má se za to, že je v neuspořádaném stavu, stejně jako je tekutá voda narušena ve srovnání s pevným ledem. Kvantová rotační kapalina má podobné chování, ale při nízkých teplotách. Místo toho, aby se scházeli v jednotném vzoru, například aby se látky spojily v pevném stavu, kus hmoty, který je v kvantové kapalinové rotaci, bude i nadále působit erraticky jako horký nepořádek polévky. Ve skutečnosti je aktivita tak extrémní, že se částice rozpadají. Je to scéna, která je v rozporu s tím, co byste očekávali v chladném prostředí.

V tomto případě výzkumný tým pozoroval frakční částice známé jako majoránské fermiony ve dvojrozměrném materiálu, který je podobný grafenu. To, co pozorovali, bylo podobné hypotetickému kvantovému spinovému kapalinovému modelu známému jako Kitaevův model. Výsledky konečně znamenají konec 40letého hledání tohoto stavu hmoty.

Konkrétněji, nové kvantové spinové kapalinové pozorování vrhají světlo na vlastnost známou jako štěpení elektronů, která by mohla jednoho dne pomoci při budování nových druhů kvantových počítačů, které fungují rychleji než dnešní stroje tím, že by obcházely limity konvenčních materiálů.

Takový průlom je desetiletí do budoucna. Pouhá skutečnost, že jsme schopni pozorovat nový stav hmoty v těle, je jen dalším znamením toho, že lidé dosud nepoškrábali povrch v chápání toho, jak přírodní svět funguje.