Razvozlana skrivnost plastovitega kristala

Sodelavci IJS so odkrili spinsko tekočino, ena od možnosti uporabe je v kvantnem računalništvu.

Objavljeno
16. avgust 2017 15.38
Andreja Žibret
Andreja Žibret
Sodelavci Instituta Jožef Stefan se lahko pohvalijo z novim dosežkom – odkrili so visokotemperaturno kvantno spinsko tekočino v plastovitem kristalu TaS2. Tako so razkrili skrivnost magnetnega stanja v tem pomembnem modelskem sistemu, ki je raziskovalce begala več kot štiri desetletja.

Spinsko tekočino je že pred več kot štiridesetimi leti napovedal Nobelov nagrajenec Philip W. Anderson, ko je raziskoval nenavadne magnetne lastnosti plastovitih kristalov. Sodelavci treh odsekov IJS, za fiziko trdne snovi, kompleksne snovi in teoretično fiziko, in ljubljanske fakultete za matematiko in fiziko pa so ugotovili, da elektronski magnetni momenti tvorijo novo visokotemperaturno stanje spinske tekočine. Dosežek je bil objavljen v prestižni reviji Nature Physics .

Hlajenje uredi magnetne momente

V večini primerov so magnetni momenti pri dovolj visokih temperaturah povsem neurejeni, pri čemer raziskovalci govorijo o paramagnetih, kar je mogoče v grobem primerjati s plinastim agregatnim stanjem.

»Če tak magnetni sistem dovolj pohladimo, se magnetni momenti uredijo, na primer v antiferomagnetno ureditev, podobno kot se uredijo atomi v kristalu. Magnetna stanja, ki bi bila analogna tekočemu agregatnemu stanju, so bila sicer teoretično napovedana, a doslej v naravi izredno redko opažena pri ekstremno nizkih temperaturah,« pojasnjujejo na IJS.

Skupina slovenskih fizikov – sestavljali so jo Martin Klanjšek, Andrej Zorko, Rok Žitko, Jernej Mravlje, Zvonko Jagličić, Peter Prelovšek, Dragan Mihailović in Denis Arčon – je odkrila, da se »elektronski magnetni momenti, ki so lokalizirani na Ta zvezdah, ne uredijo niti pri temperaturi -273.08 stopinj Celzija in da dejansko tvorijo novo stanje visokotemperaturne kvantne spinske tekočine. Pri tem stanju je še posebej zanimivo, da pri presenetljivo visokih temperaturah (pod -93 stopinj Celzija) kaže kvantno prepletenost na daljavo, kar pomeni, da je to makroskopsko kvantno stanje, podobno kot superprevodnost.«

Poudarjajo, da odkritje odpira povsem nove priložnosti za razumevanje tega skrivnostnega magnetnega stanja, pa tudi za razvoj novih kvantnih tehnologij. Kot pravi prof. dr. Denis Arčon s fakultete za matematiko in fiziko ter IJS, spinska tekočina prinaša povsem novo stanje snovi, zato o možnostih uporabe lahko le ugibajo: »Ena od možnosti, ki se omenja tudi v literaturi, je uporaba v kvantnem računalništvu.« Pravi, da se na tem področju podajajo v (skoraj) neznano, zato je za zdaj težko kaj reči o praktičnosti njihovega odkritja. To se bo pokazalo šele potem, ko bodo dobro poznali to stanje in znali z njim manipulirati.

Pojasnjuje, da so spinsko tekočino doslej dokazali le v zelo redkih primerih. Vsi znani primeri, ki jih je verjetno manj kot ducat, so iz zadnjega desetletja. »Zato je razumljivo, da eksperimentalno o tem stanju ne vemo kaj dosti. Ne razumemo povsem natančno, kakšne so vzbuditve iz osnovnega stanja, kako vplivajo na to stanje motnje, ki so v vsakem realnem sistemu, kako robustno je to stanje na zunanje dejavnike, kot je zamenjava določenih osnovnih magnetnih gradnikov z nemagnetnimi. Po našem odkritju bo mogoče poiskati odgovore vsaj na nekatera od teh temeljnih vprašanj.«

Uporaba v gospodarstvu

Doslej jih je gnala predvsem znanstvena radovednost. Evropska unija v prihodnjih letih namenja precejšnja finančna sredstva za razvoj kvantnih tehnologij. Kot pri vsaki taki novi tehnologiji pa je težko napovedati, kdaj bo uporabna v gospodarstvu. Lahko da se bodo prvi rezultati zelo hitro prenesli tudi v gospodarstvo, lahko pa bo trajalo še vrsto let, preden se bomo naučili izkoriščati tovrstne dosežke, še dodaja prof. Arčon.