Họ phát hiện ra rằng một tính chất trung tâm của các nguyên tử – sự liên kết của chúng – không “đông cứng” như thường lệ, mà vẫn ở trạng thái “lỏng”. Vật liệu lượng tử mới có thể đóng vai trò là một hệ thống mô hình để phát triển các cảm biến lượng tử mới, có độ nhạy cao. Nhóm nghiên cứu gần đây đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Vật lý tự nhiên .

Thoạt nhìn, các vật liệu lượng tử trông không khác các chất bình thường – nhưng chúng chắc chắn làm công việc của riêng chúng: Bên trong, các electron tương tác với cường độ khác thường, cả với nhau và với các nguyên tử của mạng tinh thể. Sự tương tác mật thiết này dẫn đến các hiệu ứng lượng tử mạnh mẽ không chỉ tác động ở cấp độ vi mô mà còn ở cấp độ vĩ mô. Nhờ những hiệu ứng này, vật liệu lượng tử thể hiện những đặc tính đáng chú ý. Ví dụ, chúng có thể dẫn điện hoàn toàn không bị thất thoát ở nhiệt độ thấp. Thông thường, ngay cả những thay đổi nhỏ về nhiệt độ, áp suất hoặc điện áp cũng đủ để thay đổi đáng kể tính chất của vật liệu.

Về nguyên tắc, nam châm cũng có thể được coi là vật liệu lượng tử; xét cho cùng, từ tính dựa trên spin nội tại của các electron trong vật liệu. Giáo sư Jochen Wosnitza từ Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Dresden (HLD) tại HZDR giải thích: “Theo một số cách, những spin này có thể hoạt động giống như một chất lỏng. “Khi nhiệt độ giảm xuống, những vòng quay rối loạn này sau đó có thể đóng băng, giống như nước đóng băng thành băng.” Ví dụ, một số loại nam châm, được gọi là nam châm sắt từ, không có từ tính trên điểm "đóng băng" hay chính xác hơn là điểm đặt hàng của chúng. Chỉ khi rơi xuống dưới nó, chúng mới có thể trở thành nam châm vĩnh cửu.

Vật liệu có độ tinh khiết cao

Đội quốc tế dự định tạo ra một trạng thái lượng tử trong đó sự sắp xếp nguyên tử liên quan đến các spin không theo trật tự, ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh – tương tự như chất lỏng sẽ không đông đặc, ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh. Để đạt được trạng thái này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một loại vật liệu đặc biệt – hợp chất của các nguyên tố praseodymium, zirconi và oxy. Họ cho rằng trong vật liệu này, các tính chất của mạng tinh thể sẽ cho phép các spin của electron tương tác với các quỹ đạo của chúng xung quanh các nguyên tử theo một cách đặc biệt.

Giáo sư Satoru Nakatsuji của Đại học Tokyo giải thích: “Tuy nhiên, điều kiện tiên quyết là phải có tinh thể cực kỳ tinh khiết và chất lượng. Phải mất nhiều nỗ lực, nhưng cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra các tinh thể đủ tinh khiết cho thí nghiệm của họ: Trong một thiết bị làm lạnh, một loại bình siêu giữ nhiệt, các chuyên gia đã dần dần làm lạnh mẫu của họ xuống 20 millikelvin – chỉ bằng một phần năm mươi độ. trên độ không tuyệt đối. Để xem mẫu phản ứng như thế nào với quá trình làm mát này và bên trong từ trường, họ đã đo xem nó thay đổi bao nhiêu về chiều dài. Trong một thí nghiệm khác, nhóm đã ghi lại cách tinh thể phản ứng với sóng siêu âm được gửi trực tiếp qua nó.

Tương tác mật thiết

Kết quả: “Nếu các vòng quay được sắp xếp theo thứ tự, nó sẽ gây ra sự thay đổi đột ngột trong hành vi của tinh thể, chẳng hạn như sự thay đổi đột ngột về chiều dài,” Tiến sĩ Sergei Zherlitsyn, chuyên gia nghiên cứu siêu âm của HLD, mô tả. “Tuy nhiên, như chúng tôi đã quan sát, không có gì xảy ra! Không có thay đổi đột ngột nào về độ dài hoặc phản ứng của nó đối với sóng siêu âm.” Kết luận: Sự tương tác rõ rệt của spin và quỹ đạo đã ngăn cản sự sắp xếp, đó là lý do tại sao các nguyên tử vẫn ở trạng thái lượng tử lỏng – lần đầu tiên một trạng thái lượng tử như vậy được quan sát thấy. Các nghiên cứu sâu hơn về từ trường đã xác nhận giả định này.

Kết quả nghiên cứu cơ bản này một ngày nào đó cũng có thể có ý nghĩa thực tiễn: “Tại một thời điểm nào đó, chúng ta có thể sử dụng trạng thái lượng tử mới để phát triển các cảm biến lượng tử có độ nhạy cao,” Jochen Wosnitza suy đoán. “Tuy nhiên, để làm được điều này, chúng tôi vẫn phải tìm ra cách tạo ra các kích thích ở trạng thái này một cách có hệ thống.” Cảm biến lượng tử được coi là công nghệ hứa hẹn của tương lai. Vì bản chất lượng tử của chúng khiến chúng cực kỳ nhạy cảm với các kích thích bên ngoài, cảm biến lượng tử có thể ghi lại từ trường hoặc nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với cảm biến thông thường.