"Odkrycie to pogłębia zrozumienie natury magnetyzmu i może mieć znaczenie dla rozwoju przyszłych technologii, takich jak komputery kwantowe czy nowe materiały magnetyczne" - poinformowali przedstawiciele Wydziału Fizyki UW w przesłanym PAP komunikacie, w którym przybliżają wyniki badań opublikowanych w renomowanym “Physical Review Letters” https://doi.org/10.1103/stvg-lg9h .

Rozwój mechaniki kwantowej w latach 20. XX wieku pozwolił zrozumieć, że właściwości magnetyczne materii wynikają przede wszystkim z oddziaływań między spinami elektronów. Spin, obok masy i ładunku elektrycznego, jest jedną z podstawowych cech cząstek elementarnych.

W 1931 roku Hans Bethe zaproponował matematycznie eleganckie rozwiązanie jednowymiarowego modelu Heisenberga — podstawowego modelu kwantowego magnetyzmu. Niespełna pół wieku później, w 1981 roku, Ludwig Faddeev i Leon Takhtajan zauważyli, że rozwiązania tego modelu wskazują na zaskakujące zjawisko: jakby niepodzielny elektron „rozszczepiał się” na dwie bardziej fundamentalne cząstki. Spin elektronu ma wartość 1/2 (w jednostkach stałej Plancka) i może być skierowany w dowolnym kierunku w przestrzeni. W standardowej sytuacji wzbudzenie polega na odwróceniu spinu jednego elektronu, co skutkuje zmianą spinu całego układu o 1.

Tymczasem teoria Faddeeva i Takhtajana przewiduje, że podstawowe wzbudzenia w magnetyku mogą zmieniać spin całego układu o 1/2. Te egzotycznie wyglądające wzbudzenia nazwano spinonami. Ponieważ jednak sądzono, że spinony mogą powstawać wyłącznie parami — i zawsze właśnie w takiej postaci je obserwowano — zjawisko to wydawało się mniej egzotyczne, niż początkowo sądzono.

W pracy właśnie opublikowanej w „Physical Review Letters” zespół naukowców z UW i University of British Columbia pokazał, w jaki sposób takie osobliwe wzbudzenie może zostać utworzone jako pojedyncze. Spinon taki może powstać, kiedy doda się jeden dodatkowy spin do stanu podstawowego jednowymiarowego modelu Heisenberga (teoretycznego opisu szeregu wzajemnie oddziałujących spinów).

Badacze odkryli też, że ten sam efekt można uzyskać, gdy zamiast stanu podstawowego użyje się bardzo uproszczonego modelu - tzw. VBS (ang. valence-bond solid) - w którym spiny łączą się w pary w bardzo uporządkowany sposób. Spinon w tym modelu można zrozumieć jako pojedynczy niesparowany spin, który „przemieszcza się” przez sieć takich sparowanych spinów.Co istotne, to teoretyczne przewidywanie zostało niedawno pomyślnie potwierdzone doświadczalnie.

„To ważny krok w stronę lepszego zrozumienia kwantowych właściwości magnetyków i może otworzyć drogę do odkrywania nowych ich cech” - skomentowali przedstawiciele FUW w swoim komunikacie. Co szczególnie istotne, spinony są efektem silnych oddziaływań między elektronami oraz zjawisk kwantowych, takich jak splątanie kwantowe.

Podobne mechanizmy odgrywają kluczową rolę w zjawiskach tak fundamentalnych jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe czy ułamkowy efekt Halla w dwuwymiarowych cieczach kwantowych. Splątanie kwantowe to również fundament komputerów kwantowych i całej informatyki kwantowej.

„Nasze badania nie tylko pogłębiają wiedzę o magnesach, ale mogą mieć także dalekosiężne konsekwencje w innych dziedzinach fizyki i technologii” – podsumował cytowany w komunikacie prof. Krzysztof Wohlfeld z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Nauka w Polsce

lt/ agt/