Μια μακροχρόνια αναζήτηση στον χώρο της φυσικής έφτασε στο τέλος της, καθώς ερευνητές κατάφεραν να εντοπίσουν «αναδυόμενα φωτόνια» στο εσωτερικό ενός κρυστάλλου, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη μιας εξωτικής κατάστασης της ύλης που μέχρι πρότινος θεωρούνταν σχεδόν θεωρητική.
Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο έγκριτο περιοδικό Nature Physics, δεν αποτελεί απλώς την επίλυση ενός γρίφου δεκαετιών, αλλά ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της κβαντικής διεμπλοκής και την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Ράις, σε συνεργασία με διεθνή ερευνητική ομάδα, εστίασαν την προσοχή τους σε ένα σπάνιο υλικό, το οξείδιο δημητρίου-ζιρκονίου (Ce2Zr2O7). Μέσα σε αυτό το υλικό παρατήρησαν συμπεριφορές που προσομοιάζουν με αυτές των φωτονίων, παρόλο που δεν πρόκειται για φως όπως το γνωρίζουμε, αλλά για διεγέρσεις που προκύπτουν από την περίπλοκη αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων. Το εύρημα αυτό πιστοποιεί ότι το συγκεκριμένο υλικό λειτουργεί ως ένα αυθεντικό τρισδιάστατο «κβαντικό υγρό σπιν» (quantum spin liquid), και ειδικότερα ως «κβαντικός πάγος σπιν».
Τι είναι το Κβαντικό Υγρό Σπιν
Για να αντιληφθούμε τη σημασία της ανακάλυψης, πρέπει να κοιτάξουμε πώς συμπεριφέρονται τα υλικά σε ακραίες συνθήκες. Στους συμβατικούς μαγνήτες, όταν η θερμοκρασία πέφτει κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα μαγνητικά σπιν τείνουν να «παγώνουν» και να ευθυγραμμίζονται σε μια σταθερή διάταξη.
Ωστόσο, στα κβαντικά υγρά σπιν, αυτή η τάξη δεν έρχεται ποτέ. Αντί να ηρεμήσουν, τα σπιν παραμένουν σε μια κατάσταση διαρκούς ρευστότητας και κίνησης, ακόμα και στις χαμηλότερες δυνατές θερμοκρασίες. Είναι έντονα διεμπλεκόμενα (entangled), χορεύοντας σε έναν αέναο κβαντικό ρυθμό. Αυτή η συμπεριφορά γεννά φαινόμενα που θυμίζουν την κβαντική ηλεκτροδυναμική, επιτρέποντας την εμφάνιση σωματιδίων που δεν υπάρχουν ως αυτόνομες οντότητες στο κενό, αλλά «αναδύονται» μέσα από τη συλλογική συμπεριφορά του υλικού.
Η τεχνική πρόκληση και η λύση
Ο εντοπισμός αυτών των φαινομένων ήταν εξαιρετικά δύσκολος στο παρελθόν. Οι προηγούμενες προσπάθειες σκόνταφταν σε τεχνικά εμπόδια, όπως ο θόρυβος των οργάνων και η έλλειψη καθαρών δεδομένων, που καθιστούσαν ασαφή τα αποτελέσματα. Η ομάδα του καθηγητή Φυσικής και Αστρονομίας Pengcheng Dai κατάφερε να ξεπεράσει αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές σκέδασης πολωμένων νετρονίων.
Η μέθοδος αυτή λειτούργησε ως ένα είδος φίλτρου υψηλής ακρίβειας. Επέτρεψε στους ερευνητές να απομονώσουν τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις που τους ενδιέφεραν, αγνοώντας τα άσχετα σήματα. Έτσι, μπόρεσαν να δουν καθαρά τα ίχνη των «αναδυόμενων φωτονίων» και των «spinons» (κλασματικές διεγέρσεις σπιν). Η παρουσία αυτών των σημάτων κοντά σε μηδενική ενέργεια αποτέλεσε την αδιάσειστη απόδειξη ότι το Ce2Zr2ο7 συμπεριφέρεται ως κβαντικός πάγος σπιν.
Επιπλέον, μετρήσεις ειδικής θερμότητας ενίσχυσαν τα ευρήματα, δείχνοντας ότι αυτά τα «φανταστικά» σωματίδια διαδίδονται μέσα στο υλικό με τρόπο που θυμίζει τη διάδοση του ήχου σε στερεά σώματα, αλλά ακολουθώντας τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.
Από τη θεωρία στην πράξη
Ο Bin Gao, ερευνητής στο τμήμα Φυσικής του Ράις και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, τόνισε πως τα αποτελέσματα δικαιώνουν δεκαετίες θεωρητικών προβλέψεων. Η επιτυχία αυτή δεν είναι απλώς ακαδημαϊκή. Η κατανόηση και ο έλεγχος τέτοιων υλικών μπορεί να αποτελέσει τη βάση για τεχνολογίες που σήμερα φαντάζουν μακρινές.
Τα κβαντικά υγρά σπιν θεωρούνται ιδανικοί υποψήφιοι για την ανάπτυξη ανθεκτικών κβαντικών υπολογιστών. Η ιδιότητά τους να διατηρούν την κβαντική πληροφορία προστατευμένη από εξωτερικές διαταραχές (λόγω της τοπολογικής τους φύσης) θα μπορούσε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της κβαντικής πληροφορικής: τη διόρθωση λαθών. Παράλληλα, η μελέτη τους προσφέρει προοπτικές για τη δημιουργία υλικών που επιτρέπουν τη μεταφορά ενέργειας χωρίς απώλειες.
