Οι κβαντικές καταστάσεις υγρού σπιν αποτελούν εξωτικές καταστάσεις της ύλης, στις οποίες τα σπιν – δηλαδή η εγγενής στροφορμή των ηλεκτρονίων – δεν οργανώνονται σε σταθερό μοτίβο, αλλά συνεχίζουν να ταλαντώνονται ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Το φαινόμενο αυτό συνδέεται με υψηλό βαθμό κβαντικής διεμπλοκής, όπου η κατάσταση ενός σωματιδίου επηρεάζει την κατάσταση άλλων, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις.
Ερευνητές από το SLAC National Accelerator Laboratory και το Πανεπιστήμιο Stanford συγκέντρωσαν νέα στοιχεία που δείχνουν την ύπαρξη εγγενούς κβαντικής συμπεριφοράς υγρού σπιν σε υλικό kagome, δηλαδή σε μαγνητικό υλικό με άτομα διατεταγμένα σε πλέγμα kagome. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics και συμβάλλουν στην κατανόηση των θεμελιωδών αρχών που διέπουν αυτές τις καταστάσεις.
«Ασχολούμαι με τα κβαντικά υγρά σπιν εδώ και περισσότερα από 20 χρόνια», δήλωσε ο Young S. Lee, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Πρόκειται για συναρπαστικές νέες καταστάσεις κβαντικής ύλης. Θεωρητικά, οι θεμελιώδεις καταστάσεις τους μπορεί να εμφανίζουν κβαντική διεμπλοκή μεγάλης εμβέλειας, κάτι εξαιρετικά σπάνιο σε πραγματικά υλικά».
Κρύσταλλοι και νετρονική σκέδαση
Η ερευνητική ομάδα του Lee κατάφερε να συνθέσει μονοκρυσταλλικά δείγματα υποψήφιων υλικών κβαντικού υγρού σπιν, καθώς οι κρύσταλλοι είναι απαραίτητοι για λεπτομερείς μετρήσεις των διεγέρσεων σπιν μέσω ισχυρών τεχνικών νετρονικής σκέδασης.
Σε προηγούμενες μελέτες, οι ερευνητές είχαν παρατηρήσει εξωτικές διεγέρσεις στο υλικό herbertsmithite, οι οποίες θεωρήθηκαν ισχυρή ένδειξη ύπαρξης κβαντικής κατάστασης υγρού σπιν. Ωστόσο, παρέμενε το ερώτημα αν τα αποτελέσματα αυτά ήταν γενικά ή αφορούσαν μόνο το συγκεκριμένο υλικό.
«Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί αν τα προηγούμενα ευρήματα ισχύουν γενικά για τις καταστάσεις QSL ή αν είναι μοναδικά για το υλικό που μελετήθηκε», ανέφερε ο Lee. «Σε αυτήν τη μελέτη, δημιουργήσαμε κρυστάλλους του νέου υλικού kagome Zn-barlowite για να διερευνήσουμε αυτό ακριβώς το ζήτημα».
Διερεύνηση κβαντικών καταστάσεων σε μαγνήτες kagome
Οι ερευνητές συνέθεσαν υψηλής ποιότητας δείγματα Zn-barlowite και τα ψύξαν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε να εξετάσουν τη θεμελιώδη τους κατάσταση. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν υψηλής ανάλυσης ανελαστική σκέδαση νετρονίων για να μελετήσουν πώς τα σπιν απορροφούν και απελευθερώνουν ενέργεια.
Τα πειραματικά δεδομένα συγκρίθηκαν με θεωρητικές προβλέψεις που προέκυψαν μέσω της αριθμητικής μεθόδου density matrix renormalization group (DMRG).
«Τα νετρόνια μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στο υλικό και να σκεδαστούν από τις ροπές σπιν 1/2 στα ενεργά στρώματα kagome», εξήγησε ο Lee. «Το μοτίβο σκέδασης μας δίνει πληροφορίες τόσο για τις χωρικές συσχετίσεις των σπιν όσο και για τις χρονικές τους διακυμάνσεις».
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι θεμελιώδεις διεγέρσεις των σπιν εμφανίζονται ως «spinons», δηλαδή κλασματοποιημένα τμήματα των συνηθισμένων διεγέρσεων «magnon».
Καθολική συμπεριφορά κβαντικού υγρού σπιν
Η εξωτική συμπεριφορά που παρατηρήθηκε στο Zn-barlowite συμφωνεί με αντίστοιχες διεγέρσεις που είχαν εντοπιστεί στο herbertsmithite. Αυτό υποδηλώνει ότι η ίδια κβαντική κατάσταση υγρού σπιν είναι καθολική σε πολλά γνωστά υλικά kagome.
«Ένας μακροχρόνιος στόχος του πεδίου είναι να υπάρξει συναίνεση για τουλάχιστον ένα πραγματικό υλικό που να παρουσιάζει αδιαμφισβήτητα στοιχεία QSL στη θεμελιώδη του κατάσταση», τόνισε ο Lee. «Η εργασία μας παρέχει λεπτομερή πειραματικά δεδομένα που συμφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις για μια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση υγρού σπιν».
Προοπτικές για κβαντικές τεχνολογίες
Η καλύτερη κατανόηση των κβαντικών υγρών σπιν θα μπορούσε μελλοντικά να συμβάλει στην ανάπτυξη νέων κβαντικών τεχνολογιών, όπως η αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας ή η κβαντική υπολογιστική.
«Μόλις επαληθευτούν τα κβαντικά υγρά σπιν σε πραγματικά υλικά, μπορούμε να ελπίζουμε ότι οι εξωτικές ιδιότητες κβαντικής διεμπλοκής τους θα αξιοποιηθούν πρακτικά», ανέφερε ο Lee. «Προς το παρόν, παραμένω προσηλωμένος στην κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής αυτών των κβαντικών μαγνητών και στην αναζήτηση νέων τρόπων για τον χαρακτηρισμό της κβαντικής διεμπλοκής».
Περισσότερες πληροφορίες: Aaron T. Breidenbach et al, Αναγνώριση διεγέρσεων καθολικού σπιν σε υποψήφια υγρά υλικά κβαντικού σπιν kagome με σπιν-1/2, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03069-3. Στο arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2504.06491
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Physics, arXiv
