Учените откриват ново състояние на материята: течност с квантова спина

Физиците от Националната лаборатория Оук Ридж в Тенеси и Кеймбриджския университет заедно откриха ново състояние на материята. Революционните открития, докладвани в списанието природа детайлизират наблюденията на дълго теоретизираното, но все по-неуловим състояние, известно като „квантова спин течност“ - в което електроните на пръв поглед се разпадат на по-малки парчета.

"Това е ново квантово състояние на материята, което е било предсказано, но не е било видяно и преди", казва Йоханес Кноле, учен в Cavendish Laboratory в Кеймбридж и един от съавторите на вестника.

Всеки, който има основни познания по физика, знае, че има три основни състояния на материята: твърди вещества, течности и газове. Хората с малко повече познания биха могли да знаят за другите две класически състояния: плазми (свободни заредени частици, които съставляват събития с висока енергия) и колоиди („между тях” съставляват две състояния едновременно, като масло).

И все пак съществуват повече от дузина други състояния, които могат да се наблюдават само при много малки мащаби или при много феноменални събития. Една от тях е квантовата спин-течност: хаотично състояние, което изисква малко повече обяснения, преди да можете наистина да разберете какво се случва.

Според квантовата механика, всяка частица може да показва два вида ъглови движения. Първият е орбитален ъглов момент, а вторият е въртене. Сурова аналогия за тези две съответни действия е планета, която се върти около Слънцето и показва и орбита, и аксиално въртене.

Когато една система е постигнала серия от взаимодействащи квантови завъртания, се смята, че е в неупотребено състояние по същия начин, както течността на водата е разрушена в сравнение с твърдия лед. Квантовата спин-течност има подобно поведение, но при ниски температури. Вместо да се обединят в единна форма, така че да се съберат вещества в твърдо състояние, парче материя, което е в квантово течно състояние, ще продължи да действа неравномерно като гореща бъркотия от супа. Всъщност, активността е толкова екстремална, че частиците действително се разпадат. Това е сцена, която противоречи на това, което бихте очаквали в студена среда.

В този случай изследователският екип е наблюдавал фракционни частици, известни като ферментации на Майорана в двуизмерен материал, който е подобен на графена. Това, което те наблюдаваха, беше подобно на хипотетичен модел на квантовата спин-течност, известен като моделът на Китаев. Резултатите най-накрая означават края на 40-годишно търсене на това състояние на материята.

По-конкретно, новите наблюдения на квантовата спин течност осветяват свойството, известно като електронно разделяне, което може един ден да помогне за конструирането на нови видове квантови компютри, които работят по-бързо от днешните машини, като заобикалят границите на конвенционалните материали.

Този вид пробив е десетилетия в бъдещето. И все пак самият факт, че сме могли да наблюдаваме ново състояние на материята в плътта, е просто още един знак, че хората все още трябва да почесат повърхността, за да разберат как работи естественият свят.