Odkritje slovenskih fizikov razrešilo polstoletno skrivnost

Več kot 40 let raziskovalci niso imeli odgovora na skrivnost magnetnega stanja plastovitega kristala tantalovega(IV) sulfida, pomembnega modelskega sistema s polprevodniškimi lastnostmi.

Že takrat je nenavadne magnetne lastnosti tantalovega(IV) sulfida raziskoval ameriški fizik in Nobelov nagrajenec Philip Warren Anderson, ki je kot mogoče pojasnilo prvi napovedal spinsko tekočino.

Od napovedi do odkritja skoraj pol stoletja

Visokotemperaturno kvantno spinsko tekočino v tem plastovitem kristalu so odkrili slovenski fiziki, ki so svoje delo in ta dosežek objavili v zelo prestižni znanstveni reviji Nature Physics. Objavo podpisuje skupina osmih raziskovalcev z ljubljanskega Inštituta Jožef Stefan in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani: Martin Klanjšek, Andrej Zorko, Rok Žitko, Jernej Mravlje, Zvonko Jagličić, Peter Prelovšek, Dragan Mihailovič in Denis Arčon.

Odkritje slovenskih znanstvenikov je objavljeno v zelo ugledni znanstveni reviji Nature Physics (kliknite na sliko za izvirno spletno stran). Foto: zajem zaslona/Diamond villas resort

Med drugim so ugotovili, da elektronski magnetni momenti tvorijo novo visokotemperaturno stanje spinske tekočine. V večini primerov so magnetni momenti pri dovolj visokih temperaturah povsem neurejeni. Takrat govorimo o tako imenovanih paramagnetih, kar lahko v grobem primerjamo s plinastim agregatnim stanjem.

Niti zelo nizke temperature ne zadoščajo za ureditev magnetnih momentov tantalovega(IV) sulfida

Če tak magnetni sistem dovolj pohladimo, se magnetni momenti uredijo podobno, kot se uredijo atomi v kristalu – na primer v antiferomagnetno ureditev. Magnetna stanja, ki bi bila analogna tekočemu agregatnemu stanju, so bila sicer teoretično napovedana, a doslej v naravi izredno redko opažena pri ekstremno nizkih temperaturah.

Slovenski fiziki so odkrili, da se elektronski magnetni momenti, ki so lokalizirani na tantalovih zvezdah, ne uredijo niti pri temperaturi -273,08 stopinj Celzija, kar je le osem stotink stopinje nad absolutno ničlo. Ugotovili so, da v resnici tvorijo novo stanje visokotemperaturne kvantne spinske tekočine.

Na pragu neke nove superprevodnosti?

To na novo odkrito stanje je presenetilo tudi pri za te razmere nepričakovano visokih temperaturah, to je do 180 stopinj nad absolutno ničlo. V vsem tem temperaturnem razponu kaže kvantno prepletenost na daljavo ali, drugače povedano, makroskopsko kvantno stanje, podobno superprevodnosti.

Te ugotovitve odpirajo povsem nove priložnosti za razumevanje tega enigmatičnega magnetnega stanja in za razvoj novih kvantnih tehnologij, so sporočili z Instituta Jožef Stefan.