Vědci právě uskutečnili světovou premiéru v oblasti kvantové fyziky: experimentální pozorování Boseho-Einsteinovy kondenzace (BEC) vázaného stavu dvou magnonů v magnetickém materiálu. Tento objev umožnil spektrometr pro elektronovou spinovou rezonanci ve vysokém magnetickém poli umístěný v infrastruktuře SHMFF v Číně.
Tým vědců z několika institucí, včetně Jihočínské univerzity vědy a technologie a Australské organizace pro jadernou vědu a technologii, objevil tento jev, který dosud existoval pouze v teorii.
Boseho-Einsteinova kondenzace, fascinující kvantový jev
Boseho-Einsteinova kondenzace je kvantový stav, při kterém se bosonické částice při extrémně nízkých teplotách hromadí ve stejném základním stavu a vytvářejí jediný koherentní celek. Tento jev byl dosud pozorován především u plynů složených z atomů ochlazených na několik miliardtin stupně nad absolutní nulou.
Jedinečnost nového pozorování spočívá v tom, že se týká magnetických kvazičástic zvaných magnony. Magnon je kolektivní excitace spinů elektronů v krystalové mřížce.
Dvojice magnonů se chová jako jeden celek.
Vědci prokázali, že v materiálu Na₂BaNi(PO₄)₂ se magnony mohou spojovat do vázaného stavu a kondenzovat, podobně jako Cooperovy páry v supravodivosti. Je zde však jeden zásadní rozdíl: v supravodiči tvoří páry fermiony, zatímco v tomto případě tvoří bosony, takže základní fyzika je zcela odlišná.
Proč je tento materiál tak zvláštní
Krystal Na₂BaNi(PO₄)₂ má trojúhelníkovou mřížku, takzvaný frustrovaný systém, ve kterém si magnetické interakce navzájem konkurují. V takové mřížce se spiny nemohou jednoduše vyrovnat, což vede k exotickým kvantovým jevům.
Právě v tomto prostředí interagují magnony neobvyklým způsobem. Když se přiloží magnetické pole a systém se ochladí, magnony se shluknou do dvou a vstoupí do kondenzované fáze, čímž vytvoří novou kvantovou fázi, která dosud nebyla pozorována.
Pokročilé analytické nástroje
K potvrzení tohoto objevu bylo použito několik pokročilých technik:
- Vysokofrekvenční elektronová spinová rezonance, která umožňuje pozorování magnetických excitací.
- Neutronová difrakce, technika pro analýzu struktury a interakcí spinů.
- Jaderná magnetická rezonance (NMR), která detekuje změny na atomární úrovni.
Všechny tyto metody nám umožnily potvrdit, že v tomto materiálu skutečně dochází k Boseho-Einsteinově kondenzaci vázaných magnonových stavů.
Krok k novým kvantovým fázím
Tento objev otevírá perspektivu zkoumání exotických kvantových fází a toho, jak se částice mohou uspořádat na mikroskopické úrovni. Zkoumáním těchto vlastností mohou vědci objevit nové materiály s nečekanými vlastnostmi, které by mohly najít uplatnění v oblasti kvantového ukládání informací nebo spintroniky.
Trojúhelníkové sítě zůstávají pro fyziky fascinující oblastí výzkumu a tento průlom je krokem k lepšímu pochopení vznikajících kvantových interakcí.
