Zinātnieki atklāj jaunu valsti: kvantu spin šķidrumu

Tennessee Oak Cambridge nacionālās laboratorijas un Kembridžas Universitātes fiziķi kopā ir atklājuši jaunu stāvokli. Žurnālā atklātie atklājumi Daba, sīki aprakstiet garā teorētiskā, bet arvien nenotveramā stāvokļa, kas pazīstams kā “kvantu spina šķidrums”, novērojumus, kuros elektroni šķietami sadalās mazākos gabalos.

“Šis ir jauns materiāla kvantu stāvoklis, kas ir prognozēts, bet vēl nav bijis redzams,” sacīja Džeimss Knolle, Kembridžas Cavendish laboratorijas zinātnieks un viens no papīra autoriem.

Ikviens, kam ir pamatzināšanas par fiziku, zina, ka ir trīs būtiskākie materiāli: cietvielas, šķidrumi un gāzes. Cilvēki ar mazliet vairāk zināšanām var zināt pārējos divus klasiskos stāvokļus: plazmas (brīvi uzlādētas daļiņas, kas veido augstas enerģijas notikumus), un koloīdus („betenē” uzreiz veido divas valstis, piemēram, sviestu).

Tomēr pastāv vairāk nekā ducis citu valstu, kas ir novērojamas tikai ļoti mazos svaros vai ļoti fenomenālos notikumos. Viens no tiem ir kvantu spina šķidrums: haotisks stāvoklis, kas prasa nedaudz vairāk paskaidrojuma, pirms jūs tiešām varat iegūt galvu ap to, kas notiek.

Saskaņā ar kvantu mehāniku katrai daļai var būt divu veidu leņķiskais impulss. Pirmais ir orbitālais leņķiskais impulss, bet otrais ir spin. Neapstrādāta analoģija šīm divām attiecīgajām darbībām ir planēta, kas apgriežas ap sauli, uzrāda gan orbītu, gan aksiālu spin.

Ja sistēma ir sasniegusi virkni mijiedarbojošu kvantu spinu, domājams, ka tā ir nesakārtotā stāvoklī, tāpat kā šķidrais ūdens ir nekārtīgs salīdzinājumā ar cieto ledu. Kvantu spina šķidrumam ir līdzīga uzvedība, bet zemā temperatūrā. Tā vietā, lai sapulcinātu vienotu modeli, piemēram, lai viela tiktu apvienota cietā stāvoklī, kvantu šķidruma centrifūgā esošais materiāla gabals turpinās darboties nevainojami, piemēram, zupa ar karstu zupu. Faktiski aktivitāte ir tik liela, ka daļiņas patiešām sabrūk. Tā ir aina, kas ir pretrunā tieši ar to, ko jūs sagaidāt aukstā vidē.

Šajā gadījumā pētniecības grupa novēroja daļējas daļiņas, kas pazīstamas kā Majorana fermioni divdimensiju materiālā, kas ir līdzīgs grafīnam. Tas, ko viņi novēroja, bija līdzīgs hipotētiskam kvantu spina šķidruma modelim, kas pazīstams kā Kitaev modelis. Rezultāti galu galā izskaidro 40 gadu meklējumus šim jautājuma stāvoklim.

Konkrētāk, jaunie kvantu spin šķidruma novērojumi izgaismo īpašumu, kas pazīstams kā elektronu sadalīšana, kas kādu dienu var palīdzēt veidot jaunus kvantu datorus, kas darbojas ātrāk nekā mūsdienu mašīnas, apejot parasto materiālu robežas.

Šāda veida izrāviens nākotnē ir desmitgades. Tomēr tikai tas fakts, ka mēs esam spējuši ievērot jaunu materiāla stāvokli miesā, ir tikai vēl viena zīme, ka cilvēkiem vēl ir jāsaskrāpē virsma, saprotot, kā darbojas dabiskā pasaule.