Slovenski znanstveniki prvi potrdili 70 let staro teorijo

V obsežni eksperimentalni raziskavi kristalov neodimovega heptatantalata je skupina fizikov z Odseka za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan pod vodstvom izr. prof. dr. Andreja Zorka odkrila novo obliko kvantne spinske tekočine, s čimer so kot prvi eksperimentalno potrdili več kot 70 let staro Wannierjevo teorijo. Za kako pomemben dosežek gre, priča tudi dejstvo, da so avtorji o njem poročali v prestižni reviji Nature Materials. 

Magnetne snovi, katerih magnetni značaj izvira iz magnetnih momentov (spinov) posameznih ionov v kristalu, so pri dovolj nizkih temperaturah praviloma urejene. Primer, znan že iz antičnih časov, je magnetit, v katerem se sosednji spini že precej nad sobno temperaturo poravnajo vzdolž iste smeri. Dandanes si življenja brez takšnih permanentnih magnetov ni več moč predstavljati, saj jih najdemo v številnih napravah, kot so elektromotorji, generatorji, telefoni, televizorji, računalniki idr. Magnetno urejanje je analog trdnega agregatnega stanja snovi. Po drugi strani pa pri dovolj visoki temperaturi posamezni spini kažejo v poljubni smeri. To tako imenovano paramagnetno stanje je nekorelirano in je analog plinskega agregatnega stanja, so poskušali laični javnosti pojasniti, za kaj pravzaprav gre. 

Imamo torej urejene in neurejene magnetne spine. Prve lahko primerjamo s trdim, druge pa s plinskim agregatnim stanjem. Spinske tekočine se nahajajo nekje vmes. Orientacija magnetnih momentov oziroma spinov se s časom spreminja, lokalno pa se že začne vzpostavljati red, je razložil Zorko. 

Večina snovi, če jih dovolj ohladimo, tvori urejeno magnetno stanje – bodisi feromagnetno, kjer vsi spini kažejo v isto smer ali antiferomagnetno, kjer kažejo v nasprotne smeri. Izjeme so posebne snovi, kakršna je kristal neodimovega heptalantalata. Da bi si lažje predstavljali,  je Zorko ponazoril s primerom: to je podobno, kot da bi vodo ohlajali do absolutne ničle, pa še vedno ne bi zmrznila. 

Zgoraj omenjeni Wannier je takšno stanje davnega leta 1950 napovedal za primer trikotne mreže spinov z Isingovo antiferomagnetno sklopitvijo, ki favorizira urejanje spinov v nasprotni smeri vzdolž določene smeri. Kot rečeno, je trajalo kar 70 let, da so to potrdili tudi v praksi. V skupini, ki ji je uspel preboj, so bili poleg Zorka še Tina Arh in Matej Pregelj ter sodelavci z Inštituta za matematiko, fiziko in mehaniko ter raziskovalnih institucij iz Indije, Velike Britanije, Francije in ZDA. 

Obsežno raziskavo, ki jo je zasnoval in vodil Zorko, so izvedli v Laboratoriju Rutherford Appleton (RAL) v Veliki Britaniji, Institutu Laue-Langevin (ILL) v Franciji in v Nacionalnem laboratoriju za visoka magnetna polja (NHMFL) v ZDA. 

Poleg znanstvenega vidika je odkritje potencialno pomembno v luči sodobnih kvantnih tehnologij. Spinske tekočine namreč veljajo za eno najbolj perspektivnih platform v kvantnem računalništvu.