นักวิทยาศาสตร์ค้นพบสถานะใหม่ของสสาร: Quantum Spin Liquid

นักฟิสิกส์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ในรัฐเทนเนสซีและมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้ค้นพบสถานะใหม่ของสสาร การค้นพบที่ก้าวล้ำรายงานในวารสาร ธรรมชาติ โดยมีรายละเอียดการสังเกตของสถานะอันยาวนาน แต่เป็นที่เข้าใจยากที่รู้จักกันในนาม "ของเหลวหมุนวน" ซึ่งอิเล็กตรอนดูเหมือนจะแตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ

“ นี่เป็นสถานะควอนตัมใหม่ของสสารที่ถูกคาดการณ์ แต่ไม่เคยเห็นมาก่อน” โยฮันเนส Knolle นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองคาเวนดิชของเคมบริดจ์และหนึ่งในผู้เขียนบทความของหนังสือพิมพ์กล่าว

ทุกคนที่มีความรู้พื้นฐานด้านฟิสิกส์รู้ว่ามีสสารสำคัญสามสถานะ: ของแข็งของเหลวและก๊าซ ผู้ที่มีความรู้เพิ่มเติมเล็กน้อยอาจรู้จักอีกสองสถานะคลาสสิก: plasmas (อนุภาคที่มีประจุฟรีที่สร้างเหตุการณ์พลังงานสูง) และคอลลอยด์ ("ใน betweens" ประกอบด้วยสองสถานะพร้อมกันในเวลาเดียวกันเช่นเนย)

ถึงกระนั้นก็ยังมีรัฐอื่นอีกมากกว่าโหลที่มีอยู่รัฐที่สามารถสังเกตได้ในระดับที่เล็กมากหรือภายใต้เหตุการณ์มหัศจรรย์ หนึ่งในนั้นคือของเหลวหมุนวนควอนตัม: สถานะวุ่นวายที่ต้องการคำอธิบายเพิ่มเติมเล็กน้อยก่อนที่คุณจะได้รู้ว่าเกิดอะไรขึ้น

ตามกลศาสตร์ควอนตัมอนุภาคทุกตัวสามารถแสดงโมเมนตัมเชิงมุมได้สองชนิด อันแรกคือโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรและอันที่สองคือการหมุน การเปรียบเทียบอย่างหยาบสำหรับการกระทำสองอย่างนี้คือดาวเคราะห์ที่หมุนรอบดวงอาทิตย์ซึ่งแสดงทั้งวงโคจรและแกนหมุน

เมื่อระบบประสบความสำเร็จในการตอบโต้การหมุนของควอนตัมเป็นจำนวนมากมันคิดว่าอยู่ในสภาพที่ไม่เป็นระเบียบเช่นเดียวกับน้ำของเหลวที่ไม่เป็นระเบียบเมื่อเทียบกับน้ำแข็ง ของเหลวหมุนของควอนตัมมีพฤติกรรมที่คล้ายกัน แต่ที่อุณหภูมิต่ำ แทนที่จะมารวมกันในรูปแบบที่เหมือนกันเช่นการนำสารต่าง ๆ มารวมกันในสถานะที่เป็นของแข็งก้อนสสารที่หมุนวนในของเหลวควอนตัมจะยังคงทำตัวไม่ถูกต้องเหมือนกับน้ำซุปร้อน ๆ ในความเป็นจริงกิจกรรมนี้รุนแรงมากจนอนุภาคสลายไปจริง ๆ เป็นฉากที่ขัดแย้งกับสิ่งที่คุณคาดหวังในสภาพแวดล้อมที่เย็นจัด

ในกรณีนี้ทีมวิจัยได้สังเกตอนุภาคที่เป็นเศษส่วนที่เรียกว่า Majorana fermions ในวัสดุสองมิติที่มีลักษณะคล้ายกับกราฟีน สิ่งที่พวกเขาสังเกตเห็นนั้นคล้ายคลึงกับแบบจำลองควอนตัมแบบของเหลวหมุนวนที่รู้จักกันในชื่อแบบจำลอง Kitaev ในที่สุดผลลัพธ์ก็จะสิ้นสุดการค้นหาสสารในระยะเวลา 40 ปี

โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสังเกตของเหลวควอนตัมแบบสปินใหม่ทำให้เกิดแสงบนคุณสมบัติที่เรียกว่าการแยกอิเล็กตรอนซึ่งวันหนึ่งสามารถช่วยในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมชนิดใหม่ที่ทำงานเร็วกว่าเครื่องจักรในปัจจุบันโดยข้ามขีด จำกัด ของวัสดุทั่วไป

ความก้าวหน้าประเภทนั้นคือทศวรรษสู่อนาคต แต่ความจริงที่ว่าเราสามารถสังเกตสถานะใหม่ของสสารในเนื้อหนังเป็นเพียงสัญลักษณ์อีกอย่างหนึ่งที่มนุษย์ยังไม่สามารถเข้าใจได้ว่าโลกธรรมชาติทำงานอย่างไร