Keadaan kuantum luar biasa jirim diperhatikan buat kali pertama

2Zr2O7, direka dalam makmal Andrea Bianchi. Kredit: Universiti Montreal” width=”503″ height=”530″/>

Satu sampel magnet berasaskan cerium yang kecewa, Ce2Zr2O7, direka dalam makmal Andrea Bianchi. Kredit: Universiti Montreal

Bukan setiap hari seseorang menemui keadaan jirim baru dalam fizik kuantum, bidang saintifik yang dikhaskan untuk menerangkan tingkah laku zarah atom dan subatom untuk menjelaskan sifatnya.

Namun inilah yang dilakukan oleh pasukan penyelidik antarabangsa yang termasuk Andrea Bianchi, profesor fizik Universiti Montreal dan penyelidik di Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, dan pelajarnya Avner Fitterman dan Jérémi Dudemaine.

Dalam artikel terbaru yang diterbitkan dalam jurnal ilmiahKajian Fizikal Xpenyelidik mendokumenkan “keadaan tanah cecair putaran kuantum” dalam a bahan magnetik dicipta dalam makmal Bianchi: Ce2Zr2O7sebatian yang terdiri daripada serium, zirkonium dan oksigen.

Seperti cecair yang terkunci di dalam pepejal yang sangat sejuk

Dalam fizik kuantum, putaran ialah sifat dalaman elektron yang dikaitkan dengan putarannya. Ia adalah putaran yang memberikan bahan dalam magnet sifat magnetnya.

Dalam sesetengah bahan, putaran menghasilkan struktur tidak teratur yang serupa dengan molekul dalam cecair, oleh itu ungkapan “cecair putaran.”

Secara umum, bahan menjadi lebih tidak teratur apabila suhunya meningkat. Ini adalah kes, sebagai contoh, apabila air bertukar menjadi wap. Tetapi ciri utama cecair putaran ialah ia kekal tidak teratur walaupun disejukkan kepada sifar mutlak (–273°C).

Cecair putaran kekal tidak teratur kerana arah putaran terus berubah-ubah apabila bahan disejukkan dan bukannya menstabilkan dalam keadaan pepejalseperti yang berlaku dalam magnet konvensional, di mana semua putaran diselaraskan.

Seni elektron ‘mengecewakan’

Bayangkan elektron sebagai kompas kecil yang menunjuk ke atas atau ke bawah. Dalam magnet konvensional, putaran elektron semuanya berorientasikan ke arah yang sama, ke atas atau ke bawah, mewujudkan apa yang dikenali sebagai “fasa feromagnetik.” Inilah yang membuatkan foto dan nota disematkan pada peti sejuk anda.

Tetapi dalam cecair putaran kuantum, elektron diletakkan dalam kekisi segitiga dan membentuk “ménage à trois” yang dicirikan oleh pergolakan sengit yang mengganggu susunannya. Hasilnya ialah fungsi gelombang terjerat dan tiada susunan magnet.

“Apabila elektron ketiga ditambah, putaran elektron tidak boleh diselaraskan kerana kedua-dua elektron berjiran mesti sentiasa mempunyai putaran bertentangan, mewujudkan apa yang kita panggil kekecewaan magnetik, ” jelas Bianchi. “Ini menjana pengujaan yang mengekalkan gangguan putaran dan oleh itu keadaan cecair, walaupun pada suhu yang sangat rendah.”

Jadi bagaimana mereka menambah elektron ketiga dan menyebabkan kekecewaan sedemikian?

Mencipta ménage à trois

Masukkan magnet yang kecewa Ce2Zr2O7 dicipta oleh Bianchi di makmalnya. Kepada senarai pencapaiannya yang sudah panjang dalam pembangunan bahan canggih seperti superkonduktor, kini kita boleh menambah “penguasa seni magnet yang mengecewakan.”

Ce2Zr2O7 adalah bahan berasaskan serium dengan sifat magnetik. “Kewujudan kompaun ini diketahui,” kata Bianchi. “Pencapaian kami ialah menciptanya dalam bentuk tulen yang unik. Kami menggunakan sampel yang dicairkan dalam relau optik untuk menghasilkan susunan segi tiga hampir sempurna atom dan kemudian memeriksa keadaan kuantum.”

Segitiga hampir sempurna inilah yang membolehkan Bianchi dan pasukannya di UdeM mencipta kekecewaan magnet di Ce2Zr2O7. Bekerjasama dengan penyelidik di universiti McMaster dan Colorado State, Los Alamos National Laboratory dan Institut Max Planck untuk Fizik Sistem Kompleks di Dresden, Jerman, mereka mengukur resapan magnet sebatian itu.

“Pengukuran kami menunjukkan fungsi zarah yang bertindih-oleh itu tiada puncak Bragg-tanda jelas ketiadaan susunan magnet klasik,” kata Bianchi. “Kami juga memerhatikan taburan putaran dengan arah yang berubah-ubah secara berterusan, yang merupakan ciri cecair putaran dan kekecewaan magnetik. Ini menunjukkan bahawa bahan yang kami cipta berkelakuan seperti cecair putaran sebenar pada suhu rendah.”

Dari mimpi kepada realiti

Selepas mengesahkan pemerhatian ini dengan simulasi komputerpasukan itu membuat kesimpulan bahawa mereka sememangnya menyaksikan keadaan kuantum yang tidak pernah dilihat sebelum ini.

“Mengenal pasti keadaan kuantum jirim baharu adalah impian yang menjadi kenyataan bagi setiap ahli fizik,” kata Bianchi. “Bahan kami adalah revolusioner kerana kami adalah yang pertama menunjukkan ia sememangnya boleh hadir sebagai cecair putaran. Penemuan ini boleh membuka pintu kepada pendekatan baharu dalam mereka bentuk komputer kuantum.”

Magnet kecewa secara ringkas

Kemagnetan adalah fenomena kolektif di mana elektron-elektron dalam bahan berputar ke arah yang sama. Contoh harian ialah ferromagnet, yang berhutang sifat magnetiknya kepada penjajaran putaran. Elektron jiran juga boleh berputar dalam arah yang bertentangan. Dalam kes ini, putaran masih mempunyai arah yang jelas tetapi tiada kemagnetan. Magnet yang kecewa kecewa kerana elektron jiran cuba untuk mengorientasikan putaran mereka ke arah yang bertentangan, dan apabila mereka mendapati diri mereka berada dalam kekisi segi tiga, mereka tidak lagi dapat menetap pada susunan yang sama dan stabil. Hasilnya: magnet yang kecewa.


Sleuthing pengiraan mengesahkan cecair putaran kuantum 3D pertama


Maklumat lanjut:
EM Smith et al, Kes untuk Keadaan Tanah Cecair Putaran Kuantum U(1)π dalam Dipole-Octupole Pyrochlore Ce2Zr2O7, Kajian Fizikal X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Disediakan oleh
Universiti Montreal


Petikan: Keadaan kuantum luar biasa jirim diperhatikan buat kali pertama (2022, 11 Mei) diambil 11 Mei 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would love to say thanks to the author of this short article for this awesome web content

Keadaan kuantum luar biasa jirim diperhatikan buat kali pertama


Check out our social media accounts and other related pageshttps://paw6.info/related-pages/