Zespół uczonych z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) odkrył nowy stan kwantowy, który jest niepodobny do niczego, co znamy. Fizycy schłodzili specjalny materiał do temperatury bliskiej zera bezwzględnego (w niej ustaje wszelki ruch) i odkryli, że w takich warunkach atomy nie “zamarzały”, jak to zwykle bywa, ale pozostawały w stanie ciekłym. Opisano go w czasopiśmie Nature Physics.
Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać
Nowy stan kwantowy – jak niezamarzająca ciecz
Materiały kwantowe nie tylko wyglądają inaczej niż zwykłe substancje, ale także zachowują się odmiennie. W ich wnętrzu elektrony oddziałują z dużą intensywności, zarówno ze sobą nawzajem, jak i z atomami sieci krystalicznej. Ta interakcja przekłada się na potężne efekty kwantowe, które działają nie tylko w stali mikro, ale i makro. To nadaje materiałom kwantowym niezwykłych właściwości, np. zdolność przewodzenia prądu elektrycznego całkowicie bezstratnie w niskich temperaturach. Magnesy w zasadzie też można uznać za materiały kwantowe.
Pod pewnymi względami ich spiny mogą zachowywać się jak ciecz. Gdy temperatura spada, te nieuporządkowane spiny mogą następnie zamarzać, podobnie jak woda zamarza w lód. Pewien rodzaj magnesów, tzw. ferromagnetyki, są niemagnetyczne powyżej swojego punktu “zamrożenia”, a dokładniej uporządkowania. Dopiero gdy spadną poniżej niego, mogą stać się magnesami trwałymi. prof. Jochen Wosnitz z HZDR
Celem uczonych było stworzenie materiału, w którym atomy nie porządkują się, nawet w ultrazimnych temperaturach – podobnie jak w przypadku cieczy, która nigdy nie zamarznie. Aby osiągnąć ten stan, zmieszano trzy pierwiastki chemiczne: tlen, cyrkon i prazeodym. Powstały materiał wytworzył sieć krystaliczną, w której spiny elektronów oddziałują ze swoimi orbitalami w specyficzny sposób.
Warunkiem było jednak posiadanie kryształów o ekstremalnej czystości i jakości. Zajęło to kilka prób, ale w końcu udało się wyprodukować kryształy wystarczająco czyste dla eksperymentu. Stopniowo schłodziliśmy naszą próbkę do 20 milikelwinów – zaledwie 1/50 stopnia powyżej zera bezwzględnego. prof. Satoru Nakatsuji z Uniwersytetu Tokijskiego
Aby zobaczyć jak próbka zareagowała na ten proces chłodzenia i wewnątrz pola magnetycznego, zmierzyli jak bardzo zmieniła swoją długość. W innym eksperymencie grupa zarejestrowała, jak kryształ reaguje na fale ultradźwiękowe przesyłane bezpośrednio przez niego. Gdyby spiny uporządkowały się, powinno to było spowodować gwałtowną zmianę w zachowaniu kryształu, taką jak nagła zmiana długości. Niczego takiego nie zaobserwowano.
Wniosek jest taki, że silne oddziaływanie spinów i orbitali uniemożliwiło uporządkowanie, dlatego atomy pozostały w swoim płynnym stanie kwantowym. Zaobserwowano go po raz pierwszy w historii.