Nenavadna tekočina, ki to sploh ni

Kljub svojemu poimenovanju se spinske tekočine močno razlikujejo od tekočin, ki jih poznamo iz vsakdanjega življenja, na primer vode. Najdemo jih namreč v kristalih, torej v povsem trdnem stanju.

Spinske tekočine predstavljajo nenavadno magnetno stanje, v katerem se magnetni momenti oziroma spini atomov v kristalni strukturi orientacijsko ne uredijo, čeprav je njihova bližnja okolica dobro določena, kar kaže prisotnost korelacij. Od tu analogija s tekočim agregatnim stanjem, kjer so osnovni strukturni gradniki – atomi oziroma molekule – pozicijsko neurejeni, a vseeno korelirani na lokalnem nivoju. Na možno odsotnost urejanja spinov celo pri temperaturi absolutne ničle je že leta 1950 prvi opozoril švicarski fizik Gregory Hugh Wannier, obstoj prav takšnega stanja pa smo po dolgih desetletjih pred kratkim potrdili v skupini slovenskih fizikov z Instituta Jožef Stefan in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Odkritje je pomembno tudi v luči novih kvantnih tehnologij, saj so kvantne spinske tekočine trenutno ena bolj obetavnih platform v kvantnem računalništvu.

Magnetizem skozi čas

Magnetizem je za človeštvo izredno pomemben tako z znanstvenega kot uporabnega vidika. Njegova zgodovina je dolga vsaj tri tisočletja. Že v antični Grčiji so vedeli, da kos magnetita privlači druge predmete iz magnetita in nekatere kovine. Magnetit je namreč trajni magnet, v katerem so sosednji spini poravnani vzdolž iste smeri skoraj do temperature 600 °C. Trajne magnete so v srednjem veku s pridom uporabljali kot magnetne igle v kompasih, odkritji elektromagnetne indukcije in teorije elektromagnetizma pa sta bili med glavnimi gonili industrijske revolucije v drugi polovici 19. stoletja. Kljub dolgi zgodovini je bilo magnetizem na atomski ravni mogoče razumeti šele z razvojem kvantne mehanike v prvi polovici 20. stoletja, saj je to pojav, ki ga s klasično fiziko ne moremo razložiti. Dandanes si vsakdanjega življenja brez magnetizma ni mogoče predstavljati, saj magnete najdemo v številnih napravah, od elektromotorjev in generatorjev, do telefonov, televizorjev in računalnikov Poglobljeno razumevanje magnetizma je v drugi polovici prejšnjega stoletja vodilo do napovedi nekonvencionalnih magnetnih stanj. Eno takšnih je stanje spinske tekočine, na katerem bi lahko v prihodnje temeljile nove tehnologije. V skupini slovenskih raziskovalcev nam je uspel preboj prav na področju spinskih tekočin.

Nenavadni magnetizem kvantnega materiala (VIDEO)

Analog tekočega agregatnega stanja

Pri dovolj nizkih temperaturah se skoraj v vsaki trdnini, ki vsebuje spine, vezane na določena kristalna mesta, odvisno od tipa medsebojne interakcije, spini uredijo bodisi vzdolž iste smeri (feromagnetno) bodisi v nasprotni smeri (antiferomagnetno). Magnetno urejanje je analog prehoda iz tekočega v trdno agregatno stanje, ko se vzpostavi pozicijski red dolgega dosega. Po drugi strani pa pri dovolj visoki temperaturi posamezni spini kažejo v poljubni smeri. To, tako imenovano paramagnetno stanje, ki je nekorelirano in dinamično, je analog plinskega agregatnega stanja. Spinske tekočine so nekje vmes. So magnetni analog tekočega agregatnega stanja, s to presenetljivo razliko, da se ne uredijo niti pri temperaturi absolutne ničle, čeprav so v njih močne korelacije med sosednjimi spini. Najdemo jih v kristalih, kjer sama geometrija kristalne mreže ni naklonjena magnetnemu urejanju.

Vizualizacija Isingove spinske tekočine lokaliziranih spinov (puščice) v neodimovem heptatantalatu: svetleče vezi predstavljajo antiferomagnetne korelacije med sosedi na trikotni mreži, ki preferenčno kažejo vzdolž Isingove osi. Stanje je neurejeno in dinamično. VIR: Tina Arh

Magnetno neurejeno stanje pri temperaturi absolutne ničle je prvi napovedal Wannier že leta 1950 za primer trikotne mreže spinov z Isingovo antiferomagnetno sklopitvijo, ki favorizira urejanje spinov v nasprotni smeri vzdolž določene osi v kristalu. A ta napoved je vse do današnjih dni ostala eksperimentalno nepotrjena. Pred kratkim pa smo slovenski fiziki z Instituta Jožef Stefan in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani Tina Arh, Matej Pregelj in Andrej Zorko, skupaj s sodelavci z Inštituta za matematiko, fiziko in mehaniko ter iz raziskovalnih ustanov v Indiji, Veliki Britaniji, Franciji in ZDA, poročali o prvih eksperimentalnih dokazih za takšno stanje v prestižni reviji Nature Materials.

Eksperimentalna potrditev Isingove spinske tekočine

V obsežni raziskavi, ki sem jo zasnoval in vodil izr. prof. dr. Andrej Zorko, smo se osredotočili na kristale neodimovega heptatantalata. To spojino smo izbrali zaradi njene posebne kristalne strukture, ki določa trikotno mrežo neodimovih spinov. Ker neodim spada med redke zemlje, je bilo mogoče pričakovati močno anizotropne magnetne interakcije. Izbor in proučevanje te magnetno še neraziskane spojine s širokim naborom komplementarnih eksperimentalnih tehnik sta bila ključna za eksperimentalno odkritje povsem nove oblike kvantne spinske tekočine. V bližnji preteklosti je sicer že bilo odkritih nekaj primerov spinskih tekočin, omenjena raziskava pa je posebna v tem, da gre za prvo realizacijo spinske tekočine na Isingovi trikotni mreži, torej takšni, kot jo je obravnaval Wannier.

Raziskava je potekala postopoma na različnih žarkovnih linijah v Laboratorijau Rutherford Appleton (RAL) v Veliki Britaniji in Instituta Laue-Langevin (ILL) v Franciji ter v Nacionalnem laboratoriju za visoka magnetna polja (NHMFL) v ZDA. Vsak izmed izvedenih eksperimentov je namreč odprl nova vprašanja in s tem potrebo po komplementarnem vpogledu. Dodatne eksperimente so zahtevali še mednarodni recenzenti, saj je znanstveni članek moral prestati strogo znanstveno recenzijo, kot je to značilno za najprestižnejše znanstvene revije. S kombinacijo nevtronskega sipanja, mionske spektroskopije in elektronske spinske resonance smo se raziskovalci naposled le dokopali do nedvoumnih dokazov, da se v proučevanih kristalih neodimovega heptatantalata spini ne uredijo niti pri najnižji eksperimentalno doseženi temperaturi le štiri stotinke nad absolutno ničlo (tj. –273,11 °C) in da so v osnovnem stanju prisotne antiferomagnetne korelacije Isingovega tipa.

Matej Pregelj, Tina Arh in Andrej Zorko (z leve) med raziskavami na IJS. FOTO: osebni arhiv Andreja Zorka

Naša raziskava je nazoren primer, ko osnovna teoretična napoved za več desetletij prehiti eksperiment. To v fiziki sicer ni nič nenavadnega. V javnosti zelo znan in odmeven primer je iskanje Higgsovega bozona, ki je bil eksperimentalno potrjen prav tako šele dolga desetletja po teoretični napovedi. Vendar pa sta teorija in eksperiment v znanosti pogosto v simbiozi in je enostavno ločnico med vzrokom in posledico mogoče začrtati le redkokdaj. V tej luči je zanimivo, da so raziskave neodimovega heptatantalata razkrile dodatno, kvantno komponento tega materiala glede na Wannierovo sliko, zaradi česar odkrito stanje spinske tekočine ostaja dinamično tudi pri ničelni temperaturi. To pa je področje, ki ga trenutno ne pokriva nobena teorija o spinskih tekočinah. Naše odkritje tako ponuja jasne smernice za nadaljnje raziskave.

Praktična vrednost spinskih tekočin

Kvantne spinske tekočine so za fizike zanimive že z vidika osnovne znanosti, saj so manifestacija kvantne fizike na makroskopski ravni. Po drugi strani so atraktivne v kontekstu novih kvantnih tehnologij kot obetavna platforma v kvantnem računalništvu. So namreč eden redkih medijev, ki omogočajo zapis informacij, odporen proti zunanjim motnjam, kar je ozko grlo za nadaljnji razvoj.

Čeprav je uporaba kvantnih računalnikov za zdaj še precej omejena, so trenutne investicije v njihov razvoj ogromne. Že danes je jasno, da so kvantni računalniki naslednji velik korak v tehnološkem razvoju, podobno kot je to v prejšnjem stoletju bila iznajdba tiskanega vezja. Vendar kvantni računalniki ne bodo nadomestili klasičnih, so namreč njihova dopolnitev. Pri opravljanju nekaterih operacij so občutno cenejši klasični računalniki povsem dostojen tekmec kvantnim, spet pri drugih operacijah pa so kvantni računalniki dominantni, saj jih opravijo v delčku časa, ki ga za te operacije potrebujejo klasični. Zaradi povsem drugačnega principa delovanja kvantni računalniki prednjačijo predvsem pri reševanju problemov optimizacije v primeru velikega števila možnih kombinacij.

V bančništvu in na finančnih trgih sta takšna kombinatorična problema na primer ocenjevanje kreditnega tveganja in vrednotenje finančnih instrumentov, v napredni industriji s kompleksnimi proizvodnimi procesi optimizacija teh, pri razvoju umetne inteligence in strojnem učenju pa iskanje najboljših napovedi in odločitev. Še bolj očitna je uporabna vrednost kvantnih računalnikov na področju kvantnih simulacij za razumevanje kompleksnih lastnosti materialov in njihovo optimizacijo v naprednih tehnologijah ali pa za iskanje novih zdravilnih učinkovin in simulacije kemijskih reakcij. Prav izrednega potenciala kvantnih računalnikov v farmaciji ter njihovega posledičnega vpliva na družbo kot celoto si v trenutnih časih epidemije zares ni težko predstavljati.

Velik potencial našega odkritja se kaže v tem, da je bilo objavljeno v eni najprestižnejših znanstvenih revij Nature Materials (znanstveni članek o Isingovi spinski tekočini je prosto dostopen na https://rdcu.be/cD6pX). Napovedovanje širšega družbenoekonomskega pomena tega odkritja pa je sila nehvaležna naloga. Pri prelomnih odkritjih so namreč pogosto potrebna desetletja, preden se tehnologija razvije do stopnje, da ta odkritja lahko uporabi. Od odkritja tekočih kristalov pa do njihove vsesplošne uporabe v zaslonih LCD je na primer preteklo skoraj celo stoletje. Vsekakor pa odkritja, kot je naše, zagotavljajo trden temelj za nadaljnji tehnološki razvoj.