Excitace kvantové spinové kapaliny pomocí spršky neutronů. Kredit: Genevieve Martin / ORNL.

Kvantové spinové kapaliny (quantum spin liquid) byly předpovězeny už v roce 1973 fyzikem Philem Andersonem, přesto jsou ale stále obestřeny tajemstvím. Jde o zvláštní magnetické materiály, v nichž se vyskytuje změť magnetických momentů, spinů. Jejich uspořádání připomíná klasickou kapalinu, proto „spinová kapalina“. Tak jako je kapalná voda neuspořádaným stavem ledu, jsou spinové kapaliny neuspořádaným stavem spinů uspořádaných ve ferromagnetické látce.

Stephen Nagler. Kredit: ORNL.

Kvantové spinové kapaliny mají podivuhodné vlastnosti. Mohou například ochránit kvantovou informaci před dekoherencí, a také se v nich funkčně rozkládají elektrony, které jinak nemají vnitřní strukturu a jsou považovány za nedělitelné. Přitom ve spinových kapalinách vznikají jako kvazičástice Majoranovy fermiony, které jsou zároveň částicemi i svými vlastními antičásticemi.
Kvantová spinová kapalina není úplně nová věc. Vůbec poprvé byla detekována v organickém izolátoru v roce 2003. Pak ji v roce 2006 objevili v minerálu herbertsmithitu a výzkum pokračoval. Stephen Nagler z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nedávno vedl tým odborníků, kteří vystopovali Majoranovy fermiony spinové kapaliny v reálném 2D materiálu, strukturou podobném grafenu. Je to významný průlom, o němž s radostí informoval časopis Nature Materials. Všechny zúčastněné jistě potěšilo, že výsledky experimentů Naglera a spol. pěkně pasují na jeden z hlavních teoretických modelů kvantových spinových kapalin z roku 2006, který je známý jako Kitajevův model.

Komplex Spallation Neutron Source. Kredit: DOE / Wikimedia Commons.

V typickém magnetickém materiálu se elektrony chovají jako maličké magnety. Když se takový materiál ochladí na dostatečně nízkou teplotu, tak se všechny magnety uspořádají stejným směrem. S kvantovými spinovými kapalinami je to ale jiné. I když se zmrazí prakticky na absolutní nulu, tak se jednotlivé magnetické momenty neuspořádají, ale tvoří vesele chaotickou entanglovanou polévku, kterou míchají kvantové fluktuace.

Oak Ridge National Laboratory.

Když Nagler a spol. hledali kvazičástice, použili k tomu rozptyl neutronů (neutron scattering). Využili přitom služeb Spallation Neutron Source z Oak Ridge National Laboratory, jejichž zařízení SEQUOIA (Sequoia Fine-Resolution Fermi Chopper Spectrometer Instrument) se ukázalo pro daný účel jako nejvhodnější. Po kvazičásticích pátrali v prakticky dvourozměrných krystalech chloridu ruthenia (RuCl3). Ozařovali je neutrony a sledovali, co se bude dít. Nakonec se povedlo a vědci se poprvé pozorovali kvantovou spinovou kapalinu s příslušnými kvazičásticemi ve 2D materiálu.

K čemu to všechno bylo dobré? Na obzoru jsou překvapivě praktické aplikace. Pozorované kvazi Majoranovy fermiony by se možná v budoucnu mohly stát stavebními jednotkami kvantových počítačů. A není tajemstvím, že s funkčními kvantovými počítači bychom si užili spoustu zábavy.

Video:   Quantum spin liquid - Video Learning - WizScience.com

Literatura
University of Cambridge 4. 4. 2016, ORNL 7. 4. 2016, Nature Materials online 4. 4. 2016, Wikipedia (Quantum spin liquid, Neutron scattering)