Ερευνητές ανακάλυψαν νέα κατάσταση της ύλης με πολλές προεκτάσεις για την Τεχνολογία

Μια εξωτική κατάσταση της ύλης βρέθηκε να κρύβεται μέσα σε μια προηγούμενη εξωτική κατάσταση που είχε ανακαλυφθεί σε μια μαγνητική ένωση την περασμένη δεκαετία. Το 2016, οι φυσικοί Weiguo Yin, Christopher Roth και Alexei Tsvelik του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στις ΗΠΑ εντόπισαν αυτό που ονόμασαν «μισή φωτιά, μισός πάγος» φάση σπιν-καταστάσεων στο Sr3CuIrO6, ένα μείγμα από στρόντιο, χαλκό, ιρίδιο και οξυγόνο. Τώρα, βρήκαν το αντίθετο: μια φάση «μισός πάγος, μισή φωτιά», στην οποία τα ηλεκτρόνια μέσα σε δύο διαφορετικές δομές ανταλλάσσουν συμπεριφορές.

Κρίσιμη για την ανακάλυψη είναι μια έννοια που αναφέρεται ως αποδιοργάνωση, μια περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ γειτονικών σωματιδίων. Αλλάζοντας ένα κομμάτι του παζλ, μια αλλαγή στη συμπεριφορά μπορεί να κυματιστεί σε όλο το σύστημα ως αλλαγή φάσης. Στο υλικό της ομάδας «μισή φωτιά, μισή πάγος», τα σπιν των ηλεκτρονίων σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού είναι αταξινόμητα σαν τις τρεμάμενες φλόγες μιας πυράκτωσης. Εκείνα των θέσεων ιριδίου είναι παγωμένα στη θέση τους, προσδίδοντάς τους ισχυρότερη μαγνητική έλξη.

Το να μετακινηθεί αυτός ο σχηματισμός φαινόταν αδύνατο σύμφωνα με το μαθηματικό πρότυπο της μετατόπισης φάσης. Ωστόσο, ένα κρίσιμο εύρημα οδήγησε την ομάδα να βρει μια συγκεκριμένη αλλαγή στη θερμοκρασία που ανατρέπει ολόκληρη την κατάσταση. Αυτή η αντιστρεψιμότητα είναι η ανακάλυψη που έψαχναν οι Yin και Tselvik. Το κλειδί για να ξεκλειδώσουν τις δυνατότητες του Sr3CuIrO6 για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας και της μικροηλεκτρονικής.

«Η εύρεση νέων καταστάσεων με εξωτικές φυσικές ιδιότητες - και η ικανότητα κατανόησης και ελέγχου των μεταβάσεων μεταξύ αυτών των καταστάσεων - είναι κεντρικά προβλήματα στους τομείς της Φυσικής της Συμπυκνωμένης Ύλης και της Επιστήμης των Υλικών», αναφέρει ο Yin. «Η επίλυση αυτών των προβλημάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλες προόδους σε τεχνολογίες όπως η κβαντική πληροφορική και η σπιντρονική».

Τα μαγνητικά υλικά μπορούν να πάρουν διάφορες μορφές. Στα συμβατικά σιδηρομαγνητικά υλικά, όπως ο σίδηρος, τα σπιν των σωματιδίων που περιέχονται σε αυτά είναι όλα ευθυγραμμισμένα προς την ίδια κατεύθυνση. Ένας σιδηρομαγνήτης είναι ένα υλικό στο οποίο απαντώνται δύο καταστάσεις σπιν, όπως το Sr3CuIrO6.

Η παράξενη, φάση «μισή φωτιά, μισός πάγος» μπορεί να προκληθεί από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, και είναι αρκετά εντυπωσιακή. Τα σπιν του χαλκού πέφτουν σε μια άτακτη πανσπερμία, ενώ τα σπιν του ιριδίου συντάσσονται σαν στρατιώτες σε στάση προσοχής.

Αυτό είναι αρκετά ενδιαφέρον, αλλά όχι ιδιαίτερα χρήσιμο από μόνο του. Τα qubits, για παράδειγμα - οι βασικές μονάδες της κβαντικής πληροφορικής - μπορούν να βασιστούν σε σπιν ηλεκτρονίων, αλλά αυτά τα σπιν πρέπει να είναι σε θέση να εμφανίζουν τις διαφορετικές τιμές του δυαδικού συστήματος. Και τα ρυθμιζόμενα qubits - αυτά των οποίων τα spins μπορούν να χειραγωγηθούν - είναι ακόμη πιο χρήσιμα.

«Παρά την εκτεταμένη έρευνά μας, εξακολουθούσαμε να μην γνωρίζουμε πώς θα μπορούσε να αξιοποιηθεί αυτή η κατάσταση, ειδικά επειδή είναι γνωστό εδώ και έναν αιώνα ότι το μονοδιάστατο μοντέλο Ising, ένα καθιερωμένο μαθηματικό μοντέλο σιδηρομαγνητισμού που παράγει την κατάσταση μισή φωτιά, μισός πάγος, δεν φιλοξενεί μια μετάβαση φάσης πεπερασμένης θερμοκρασίας», εξηγεί ο Tsvelik.

Αυτά τα κομμάτια έχουν ενωθεί στη νέα εργασία της ομάδας. Ανακάλυψαν ότι, μέσα σε ένα πολύ στενό, πεπερασμένο εύρος θερμοκρασιών παραμονεύει ένα κρυφό δίδυμο του «μισή φωτιά, μισός πάγος»- δηλαδή, «μισός πάγος, μισή φωτιά», στο οποίο ο χαλκός γίνεται διατεταγμένος και το ιρίδιο πέφτει σε αταξία.

Αυτό δεν ανοίγει απλώς δρόμους για μελλοντική έρευνα σχετικά με τις κρυφές φάσεις και τις μεταβάσεις τους, αλλά σημαίνει επίσης ότι η αλλαγή φάσης μπορεί να ελεγχθεί αυστηρά, ανοίγοντας ένα ολόκληρο βασίλειο πιθανών κβαντικών εφαρμογών.

«Στη συνέχεια, πρόκειται να διερευνήσουμε το φαινόμενο fire-ice σε συστήματα με κβαντικά spins και με πρόσθετους βαθμούς ελευθερίας πλέγματος, φορτίου και τροχιάς», λέει ο Yin. «Η πόρτα σε νέες δυνατότητες είναι πλέον ορθάνοιχτη».

[via]