I flere tiår har forskere lett etter såkalte kvantespinnvæsker, en type materiale som antas å ha uvanlige egenskaper. Slike systemer kan gi ny innsikt i magnetisme og på sikt bidra til mer robuste kvantedatamaskiner.
Nå viser en ny studie at et materiale som tidligere ble regnet som en lovende kandidat, likevel ikke er en kvantespinnvæske. I stedet peker funnene mot en helt ny, ikke-kvantemekanisk tilstand av materie. Oppdagelsen kan tvinge fram en revurdering av hvordan forskere vurderer kandidater i jakten på disse sjeldne materialfasene.
Materialet det gjelder er cerium magnesium hexalluminat, CeMgAl11O19. Ifølge forskergruppen har krystallen egenskaper man ikke har sett på denne måten før, og som kan vise seg nyttige, men den oppfyller likevel ikke kriteriene for å kalles en kvantespinnvæske.
– Materialet ble klassifisert som en kvantespinnvæske på grunn av to egenskaper: observasjon av et kontinuum av tilstander og fravær av magnetisk orden, sier fysiker Bin Gao ved Rice University.
– Men en nærmere undersøkelse viste at årsaken til disse observasjonene ikke var en kvantespinnvæske-fase.
Tradisjonelt har forskere lett etter kvantespinnvæsker ved å kjøle materialer ned til svært lave temperaturer og se etter nettopp disse kjennetegnene: et «utvisket» kontinuum av tilstander og magnetisk oppførsel som er uordnet og ikke følger de vanlige mønstrene. Selv om kvantespinnvæsker lenge har vært teoretisk forutsagt, og det finnes laboratorielagde varianter, har det vært vanskelig å finne sikre, naturlige eksempler.
Den nye studien viser at de to «klassiske» tegnene ikke nødvendigvis er så entydige som man har trodd. Forskerne brukte flere metoder, blant annet røntgen- og nøytronmålinger mot krystallen, nedkjøling, samt påføring av magnetfelt, for å kartlegge hva som faktisk foregikk i materialet.
Resultatet var at CeMgAl11O19 ikke oppfører seg som en ekte kvantespinnvæske. I stedet ser de kvantespinnvæske-lignende signalene ut til å komme av konkurrerende magnetiske krefter i materialet, kombinert med en uvanlig atomstruktur.
– Vi var interessert i dette materialet fordi det hadde en samling egenskaper vi ikke hadde sett før, sier fysiker Tong Chen ved Rice University.
– Det var ikke en kvantespinnvæske, men vi observerte likevel det vi trodde var atferd knyttet til kvantespinnvæsker.
Selv om dette kan virke fjernt fra hverdagen, er interessen for kvantespinnvæsker tett knyttet til mulige gjennombrudd innen kvantedatabehandling. Slike datamaskiner kan i prinsippet gi en enorm økning i regnekraft, men dagens prototyper er svært sårbare og utsatt for feil.
En viktig idé har vært at kvantespinnvæsker kan bidra til økt stabilitet i kvantesystemer, blant annet ved å gjøre lagring og håndtering av kvanteinformasjon mer robust. Dersom kvantedatamaskiner etter hvert kan utvikles til praktisk bruk, kan de få betydning for alt fra klimamodeller og værvarsling til legemiddelutvikling.
Begrepet «spinn» viser til en type moment knyttet til partikler i magnetiske systemer. I hypotesen om kvantespinnvæsker er denne spinn-tilstanden spesielt uordnet, noe som gir opphav til de særegne signaturene forskere har lett etter.
Selv om noen kan bli skuffet over at CeMgAl11O19 ikke er den etterlengtede, definitive kvantespinnvæsken, mener forskerne at materialet likevel er svært verdifullt. Det kan bli et viktig referansepunkt for videre leting, nettopp fordi det viser hvor lett det er å feiltolke signaler.
– Dette er en ny tilstand av materie som vi, så vidt vi vet, er de første til å beskrive, sier fysiker Pengcheng Dai ved Rice University.
– Det understreker hvor viktig det er med nøye observasjon og grundig etterprøving av dataene.
Studien er publisert i tidsskriftet Science Advances.
