Slovenski fiziki odkrili novo obliko kvantne spinske tekočine

Potem, ko je že leta 1950 švicarski fizik Gregory Hugh Wannier prvi napovedal stanje spinske tekočine celo pri temperaturi absolutne ničle, je želja po eksperimentalni potrditvi ostala neizpolnjena dolga desetletja.  Skupina fizikov z Odseka za fiziko trdne snovi Instituta »Jožef Stefan« pod vodstvom izr. prof. dr. Andreja Zorka je v obsežni eksperimentalni raziskavi kristalov neodimovega heptatantalata odkrila novo obliko kvantne spinske tekočine, ki je v skladu z Wannierjevo teorijo. O svojem odkritju so avtorji poročali v prestižni reviji Nature Materials.

Magnetne snovi, katerih magnetni značaj izvira iz magnetnih momentov (spinov) posameznih ionov v kristalu, so pri dovolj nizkih temperaturah praviloma urejene. Primer, znan že iz antičnih časov, je magnetit, v katerem se sosednji spini že precej nad sobno temperaturo poravnajo vzdolž iste smeri – feromagnetno. Dandanes si življenja brez takšnih permanentnih magnetov ni več moč predstavljati, saj jih najdemo v številnih napravah, kot so elektromotorji in generatorji, telefoni, televizorji, računalniki idr. Magnetno urejanje je analog trdnega agregatnega stanja snovi. Po drugi strani pa pri dovolj visoki temperaturi posamezni spini kažejo v poljubni smeri. To, tako imenovano paramagnetno stanje, je nekorelirano in je analog plinskega agregatnega stanja.

Spinske tekočine se nahajajo nekje vmes. So magnetni analog tekočega agregatnega stanja, saj so v njih spini neurejeni, a hkrati že močno korelirani. V kristalih, kjer sama geometrija kristalne mreže ni naklonjena magnetnemu urejanju, je lahko stanje spinske tekočine prisotno celo pri temperaturi absolutne ničle. To je prvi napovedal G. H. Wannier že leta 1950 za primer trikotne mreže spinov z Isingovo antiferomagnetno sklopitvijo, ki favorizira urejanje spinov v nasprotni smeri vzdolž določene smeri. Ta napoved je vse do današnjih dni ostala nepotrjena. Pred kratkim pa je skupina slovenskih fizikov z Instituta »Jožef Stefan« v sestavi Tina Arh, Matej Pregelj in Andrej Zorko, skupaj s sodelavci z Inštituta za matematiko, fiziko in mehaniko ter raziskovalnih institucij iz Indije, Velike Britanije, Francije in ZDA, poročala o prvih eksperimentalnih dokazih za takšno stanje. Za njihov preboj je bilo ključno preučevanje magnetno še neraziskane spojine s širokim naborom komplementarnih eksperimentalnih tehnik.

Obsežno raziskavo, ki jo je zasnoval in vodil izr. prof. dr. Andrej Zorko, so izvedli na različnih žarkovnih linijah Laboratorija Rutherford Appleton (RAL) v Veliki Britaniji in Instituta Laue-Langevin (ILL) v Franciji ter v Nacionalnem laboratoriju za visoka magnetna polja (NHMFL) v ZDA. S kombinacijo nevtronskega sipanja, mionske spektroskopije in elektronske spinske resonance so uspeli pokazati, da je v kristalih neodimovega heptatantalata osnovno magnetno stanje neurejeno celo pri najnižjih eksperimentalno dosegljivih temperaturah (40 mK, t.j. -273.11°C), kljub temu pa so sosednji spini antiferomagnetno korelirani vzdolž izbrane (Isingove) smeri. Samo stanje je zaradi kvantnih fluktuacij še vedno dinamično in uvaja nov tip kvanto prepletene spinske tekočine.

Poleg znanstvenega vidika je odkritje potencialno pomembno v luči sodobnih kvantnih tehnologij. Spinske tekočine namreč veljajo za eno najbolj perspektivnih platform v kvantnem računalništvu.

 

Foto: IJS (naslovnica Tina Arh)