Nový stav hmoty - kvantová spinová kapalina

Tento stav hmoty nazvaný jako “kvantová spinová kapalina” byl poprvé předpovězen před čtyřiceti lety, avšak až teď bylo možno jej pozorovat ve skutečném materiálu. Dotyčným materiálem byly krystaly alfa chloridu ruthenia (alfa RuCl3).

Zvláštností pozorovaného stavu hmoty bylo, že elektrony se v něm zdánlivě rozpadly na menší části, což je samozřejmě reálně nemožné, protože elektrony jsou základními elementárními částicemi, které nelze dělit.

Kvantová spinová kapalina je popis stavu látky, který se týká tzv. vnitřních momentů hybnosti částic, jejich tzv. spinů. V klasické mechanice pro to přesnou analogii nemáme, avšak vzdáleně se tato veličina podobá rotaci objektu kolem vlastní osy. Kvantová spinová kapalina popisuje spinově neuspořádaný soubor částic, který se může někdy objevit v situaci, kdy na sebe spiny částic vzájemně silně působí.

Rozdíl mezi pevnou látkou a kapalinou tkví v tom, že v pevné látce jsou parametry částic vzájemně pevně propojeny či korelovány, zatímco v tekoucí kapalině nikoliv. Stejně tak jsou částice a jejich spiny ve stavu kvantové spinové kapaliny navzájem neuspořádány a nacházejí se ve stavu chaosu, ve stavu jakési “tekoucí polévky”.

V běžné magnetické látce jsou však elektronové spiny a s nimi spojené magnetické dipóly elektronů orientovány stejným směrem.

Vědci nyní pomocí rozptylu neutronů, kterými materiál ostřelovali, zkoumali situaci v podchlazeném krystalu alfa chloridu ruthenia. V tomto prostředí se vlivem vzájemného působení mezi spiny elektronů vyskytují tzv. kvazičástice, které se chovají jako zlomky elektronů a mají vlastnosti tzv. Majoranových fermionů.

Jev zdánlivého “rozštěpení” elektronů je podle vědců možné v budoucnosti využít při konstrukci nového a rychlejšího typu kvantových počítačů, který by mohl překonat omezení dnešních počítačů, vyrobených na bázi konvenčních materiálů.

Fermiony jsou obecně částice s poločíselným spinem, které tvoří strukturovanou látku ve vesmíru, na rozdíl od tzv. bosonů, což jsou částice s celočíselným spinem, které jsou zprostředkovateli sil zejména mezi fermiony a říká se jim proto také částice polí. Kvazičástice jsou energetické kolektivní excitace v prostředí pevných látek, které jsou řadou svých vlastností analogické skutečným částicím, nejsou to však skutečné elementární částice. Fermiony, které se chovají jako své vlastní antičástice, předpověděl teoreticky italský fyzik Ettore Majorana již v roce 1937 a jsou proto podle něj obecně zvány Majoranovy fermiony.

Zdroje: Phys.Org, Futurism, ScienceAlert, Inverse, Popular Science, Nature Materials