Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Pengcheng Dai του Rice University επιβεβαίωσε την ύπαρξη αναδυόμενων φωτονίων και κλασματικών διεγέρσεων σπιν σε μια σπάνια κβαντική υγρή κατάσταση σπιν. Δημοσιευμένη στο Nature Physics στις 19 Ιουνίου, η μελέτη εντοπίζει την κρυσταλλική ένωση οξείδιο του ζιρκονίου του δημητρίου (Ce₂Zr₂O₇) ως μια σαφή τρισδιάστατη υλοποίηση αυτής της εξωτικής κατάστασης ύλης.
Εδώ και καιρό αντικείμενο θεωρητικής έρευνας, οι κβαντικές υγρές καταστάσεις σπιν υπόσχονται επαναστατικές τεχνολογίες, όπως κβαντικοί υπολογιστές και μεταφορά ενέργειας χωρίς απώλειες. Αρνούμενα να συμμορφωθούν με τη συμβατική μαγνητική συμπεριφορά, αυτά τα υλικά πραγματοποιούν αναδυόμενη κβαντική ηλεκτροδυναμική μέσω έντονα συσχετισμένων κβαντικά κινήσεων των μαγνητικών ροπών σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
«Απαντήσαμε σε ένα σημαντικό ανοικτό ερώτημα ανιχνεύοντας άμεσα αυτές τις διεγέρσεις», δήλωσε ο Dai, καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας Sam και Helen Worden. «Αυτό επιβεβαιώνει ότι το Ce₂Zr₂O₇ συμπεριφέρεται ως μια πραγματική κβαντική πάγος-σπιν, μια ειδική κατηγορία τρισδιάστατης κβαντικής υγρής κατάστασης σπιν».
Πειραματική σαφήνεια σε ένα πεδίο γεμάτο θόρυβο
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε υπερσύγχρονες τεχνικές σκέδασης πολωμένων νετρονίων για να απομονώσει και να εντοπίσει τα χαρακτηριστικά σημάδια της συμπεριφοράς κβαντικής υγρής κατάστασης σπιν. Αυτά τα εργαλεία τους επέτρεψαν να διαχωρίσουν τη μαγνητική σκέδαση από όλα τα άλλα σήματα, ακόμη και στο όριο της μηδενικής θερμοκρασίας.
Παράλληλα, οι μετρήσεις τούς επέτρεψαν να ανακαλύψουν σήματα αναδυόμενων φωτονίων κοντά στη μηδενική ενέργεια – ένα βασικό χαρακτηριστικό που διαχωρίζει τον κβαντικό πάγο-σπιν από άλλες συμβατικές φάσεις σε συνηθισμένους μαγνήτες. Συμπληρωματικές μετρήσεις της ειδικής θερμότητας της ένωσης πρόσφεραν επιπλέον υποστήριξη, υποδηλώνοντας ότι τα προβλεπόμενα αναδυόμενα φωτόνια έχουν διασπορά παρόμοια με τον τρόπο που ο ήχος διαδίδεται σε ένα στερεό.
Ο τεχνικός θόρυβος και τα ελλιπή δεδομένα είχαν συχνά παρεμποδίσει προηγούμενες προσπάθειες επικύρωσης τέτοιας συμπεριφοράς. Η ομάδα με επικεφαλής το Rice ξεπέρασε αυτά τα εμπόδια με εκλεπτυσμένη παρασκευή δειγμάτων και όργανα υψηλής ακρίβειας, συμπεριλαμβανομένης διεθνούς συνεργασίας με μεγάλα εργαστήρια στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική.
Επιστημονική πρωτιά με μακροπρόθεσμες συνέπειες
Αξιοσημείωτο είναι ότι τα αναδυόμενα φωτόνια και τα σπινόνια – χαρακτηριστικά του κβαντικού πάγου-σπιν – παρατηρήθηκαν σε ένα τρισδιάστατο υποψήφιο υλικό. Η ανακάλυψη των ερευνητών κλείνει μια μακροχρόνια διαμάχη στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης και προσφέρει μια σταθερή πλατφόρμα για την εξερεύνηση τεχνολογιών επόμενης γενιάς.
Αυτό το θεμελιώδες αποτέλεσμα επικυρώνει δεκαετίες θεωρητικών προβλέψεων, δήλωσε ο Bin Gao, επιστημονικός συνεργάτης στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Rice και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτό το απροσδόκητο αποτέλεσμα ενθαρρύνει τους επιστήμονες να ερευνήσουν βαθύτερα τέτοια μοναδικά υλικά, πιθανώς αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τους μαγνήτες και τη συμπεριφορά της ύλης στο ακραίο κβαντικό καθεστώς», δήλωσε ο Gao.
Συγγραφείς της μελέτης είναι επίσης οι Félix Desrochers και Yong Baek Kim του Πανεπιστημίου του Τορόντο, ο απόφοιτος του Rice David Tam του Ινστιτούτου Paul Scherrer, οι Silke Paschen, Diana Kirschbaum και Duy Ha Nguyen του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης, οι Paul Steffens και Arno Hiess του Institut Laue-Langevin, ο Yixi Su του Jülich Center του Heinz Maier-Leibnitz Center, και ο Sang-Wook Cheong του Πανεπιστημίου Rutgers.
Περισσότερες πληροφορίες: Bin Gao et al, Σκέδαση νετρονίων και θερμοδυναμικά στοιχεία για αναδυόμενα φωτόνια και κλασματοποίηση σε πάγο πυροχλωρικού σπιν, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02922-9
Πληροφορίες περιοδικού: Φυσική Φυσικής
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο Rice
