テネシー州のオークリッジ国立研究所とケンブリッジ大学の物理学者は一緒になって新しい物質の状態を発見しました。ジャーナルに報告されている画期的な調査結果 自然 では、「量子スピン液体」として知られている、長い間理論化されていたが、とらえどころのない状態の観察について詳細に説明します。
ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の科学者で、論文の共著者の一人であるヨハネス・クノール氏は、「これは予測されたことはあるが、これまでに見たことのない新しい量子状態の問題である」と述べた。
物理学の基本的な知識をお持ちの方なら誰でも、固体、液体、気体という3つの主要な物質の状態があることを知っています。もう少し知識がある人は他の2つの古典的な状態を知っているかもしれません：プラズマ（高エネルギー事象を構成する自由荷電粒子）とコロイド（「中間」はバターのように同時に2つの状態を構成します）。
それでも、他にも十数以上の状態が存在し、それらは非常に小規模で、または非常に現象的な事象の下でのみ観測可能です。そのうちの1つが量子スピン液体です。何が起こっているのかを実際に理解するには、もう少し説明が必要なカオス状態です。
量子力学によると、すべての粒子は2種類の角運動量を示すことができます。 1つ目は軌道角運動量、2つ目はスピンです。これら二つのそれぞれの行動の大まかな類推は、太陽の周りを回転する惑星であり、軌道と軸方向の回転の両方を示しています。
システムが一連の相互作用する量子スピンを達成すると、固体の氷と比較して液体の水が無秩序になるのと同じように無秩序な状態にあると考えられます。量子スピン液体も同様の挙動をしますが、低温です。物質を固い状態にまとめるなど、均一なパターンで集まるのではなく、量子液体スピンにある物質の塊がスープの熱い混乱のように不規則に作用し続けます。実際、その活動は非常に極端であるため、粒子は実際にばらばらになります。寒い環境で予想していたことと矛盾するシーンです。
この場合、研究チームは、グラフェンに似た種類の二次元材料中のMajoranaフェルミオンとして知られる分数粒子を観察しました。彼らが観察したことは、Kitaevモデルとして知られている仮想量子スピン液体モデルに似ていました。結果はついにこの問題の状態のための40年の調査の終わりを綴ります。
より具体的には、新しい量子スピン液体観測は、電子分裂として知られる特性に光を当て、それはいつかは従来の材料の限界を迂回することによって今日の機械よりもはるかに速く動作する新しい種類の量子コンピュータを構築するのに役立ち得る。
そのような飛躍的進歩は未来への数十年です。それでも、私たちが肉体の中で新しい物質の状態を観察することができたという単なる事実は、自然界がどのように機能するのかを理解する上で人間が表面に傷を付けていないことのほんの一例です。