Otkriveno još jedno novo stanje materije

Fizičar i nobelovac Philip W. Anderson još je 1973. godine teoretizirao o novom stanju materije koje je nazvano tekućina kvantnog spina. Za razliku od imena, ovo egzotično stanje materije nema nikakve veze sa svakodnevnim tekućinama poput vode. Umjesto toga, radi se o magnetima koji se nikada ne zamrzavaju i novim načinima na koje se elektroni u njima vrte.

Kod običnih magneta, kada temperatura padne ispod određene vrijednosti, elektroni se stabiliziraju i tvore čvrsti komad tvari s magnetskim svojstvima. U tekućini kvantnog spina, elektroni se ne stabiliziraju kada se ohlade, ne formiraju u krutinu i stalno se mijenjaju i fluktuiraju (poput tekućine) u jednom od najzapletenijih kvantnih stanja ikada zamišljenih.

Posebna svojstva tekućina kvantnog spina obećavaju primjene koje se mogu koristiti za unapređenje kvantnih tehnologija, kao što su visokotemperaturni supravodiči i kvantna računala.

Ali postojala je jedna velika prepreka, jer nitko nikada zapravo nije vidio niti potvrdio postojanje tekućina kvantnog spina. Do sada. Tim fizičara Harvarda, predvođenih Mikhailom Lukinom i Giulijom Semeghini, tvrdi da su konačno eksperimentalno dokumentirali ovo dugo traženo egzotično stanje materije. Rad je opisan u novoj studiji u časopisu Science i označava veliki iskorak prema mogućnosti stvaranja ovog neuhvatljivog stanja i stjecanju novog razumijevanja njegove tajanstvene prirode.

Istraživači su promatrali ovo stanje tvari pomoću programibilnog kvantnog simulatora koji je laboratorij razvio 2017. godine. Simulator je vrsta kvantnog računala koje omogućuje istraživačima stvaranje programibilnih oblika poput kvadrata, saća ili trokutastih rešetki kako bi konstruirali različite interakcije i isprepletenosti između ultrahladnih atoma, a koristi se za proučavanje niza složenih kvantnih procesa.

Ideja korištenja kvantnog simulatora je doći u mogućnosti reproduciranja iste mikroskopske fizike koja se nalazi u sustavima kondenzirane tvari, posebno uz slobodu koju dopušta programibilnost sustava.

"Možete pomicati atome koliko god želite. Možete promijeniti frekvenciju laserskog svjetla. Stvarno možete promijeniti parametre prirode na način na koji to niste mogli u materijalu gdje su se te stvari proučavale ranije", navodi suautor studije Subir Sachdev, profesor fizike i istaknuti gostujući profesor na Institutu za napredne studije. "Ovdje možete pogledati svaki atom i vidjeti što radi."

U konvencionalnim magnetima, spinovi elektrona usmjereni su prema gore ili dolje prema nekom pravilnom uzorku. U svakodnevnom magnetu za hladnjak, na primjer, sve vrtnje su usmjerene u istom smjeru. To se događa jer vrtnje obično rade prema šahovskom uzorku i mogu se upariti tako da pokazuju u istom smjeru ili naizmjeničnom, držeći određeni redoslijed.

Tekućine kvantnog spina ne pokazuju ništa od tog magnetskog reda. To se događa zato što je dodan treći spin, pretvarajući uzorak kontrolne kutije u trokutasti uzorak. Dok se par uvijek može stabilizirati u jednom ili drugom smjeru, u trokutu će treći spin uvijek biti neparni izlaz elektrona. To stvara "frustriran" magnet u kojem se okretanje elektrona ne može stabilizirati u jednom smjeru.

Znanstvenici s Harvarda koristili su simulator kako bi stvorili vlastiti "frustrirani" uzorak rešetke, postavljajući atome tako da međusobno djeluju i isprepliću se. Zatim su mogli izmjeriti i analizirati nizove koji povezuju atome nakon što se cijela struktura zapetlja. Prisutnost i analiza tih struna, koje se nazivaju topološkim strunama, znači da su se događale kvantne korelacije i da se pojavilo kvantno spin tekuće stanje materije.

Nakon što su potvrdili prisutnost kvantnih spin tekućina, istraživači su se okrenuli mogućoj primjeni ovog stanja materije za stvaranje robusnih kubita. Proveli su test dokazivanja koncepta koji je pokazao da bi jednog dana moglo biti moguće stvoriti te kvantne bitove stavljanjem kvantnih spinskih tekućina u poseban geometrijski niz pomoću simulatora.

Istraživači planiraju nastaviti rad sa simulatorom kako bi točno istražili kako se kvantne spinske tekućine mogu koristiti za stvaranje robusnih kubita.

"Pokazujemo prve korake kako stvoriti ovaj topološki kubit, ali još uvijek moramo pokazati kako ga zapravo možete kodirati i njime manipulirati", rekl je Semeghini. "Sada imamo još puno toga za istražiti."