Jarenlang hebben studenten geleerd dat er vier waarneembare toestanden zijn: vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma. Maar dankzij het werk van natuurkundigen van de Universiteit van Cambridge en het Oak Ridge National Laboratory moeten wetenschapsboeken wellicht worden bijgewerkt met een geheel nieuwe fase van materie: "quantum spin liquid."
gerelateerde inhoud
- De zoektocht naar ongrijpbare neutrino's op Antarctica genereert enorme hoeveelheden gegevens
Na tientallen jaren zoeken hebben de onderzoekers het eerste stuk waarneembaar bewijs voor de ongrijpbare staat ontdekt, dat onlangs is gedocumenteerd in Nature Materials. Hier zijn drie dingen om te weten over kwantumspinvloeistof:
Het is niet echt een vloeistof
De "vloeistof" in "kwantumspinvloeistof" is bijna een verkeerde benaming. In tegenstelling tot bekende vloeistoffen zoals water, verwijst het woord hier eigenlijk naar hoe elektronen zich gedragen onder bepaalde zeldzame omstandigheden. Alle elektronen hebben een eigenschap die bekend staat als spin en kunnen omhoog of omlaag draaien. In het algemeen, wanneer de temperatuur van een materiaal afkoelt, hebben de elektronen de neiging om in dezelfde richting te draaien. Voor materialen in een kwantumspin-vloeibare toestand worden de elektronen echter nooit uitgelijnd. Fiona MacDonald meldt zelfs voor Science Alert dat ze zelfs steeds warmer worden, zelfs bij temperaturen van absoluut nul. Het is deze chaotische, vloeiende natuur die natuurkundigen ertoe heeft aangezet de staat als 'vloeibaar' te beschrijven.
Hierdoor lijken elektronen uit elkaar te vallen
Elk atoom in het universum bestaat uit drie deeltjes: protonen, elektronen en neutronen. Hoewel natuurkundigen hebben ontdekt dat protonen en neutronen zijn samengesteld uit nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd, zijn elektronen tot nu toe ondeelbaar gebleken. Ongeveer 40 jaar geleden veronderstelden theoretische natuurkundigen dat onder bepaalde omstandigheden de elektronen van bepaalde materialen kunnen lijken te splitsen in quasiparticles die 'Majorana fermions' worden genoemd, schrijft Sophie Bushwick voor Popular Science .
Nu breken de elektronen niet echt uit elkaar, ze doen gewoon alsof ze dat doen. Maar wat echt raar is aan Majorana-fermionen, is dat ze op kwantumniveau met elkaar kunnen communiceren alsof het eigenlijk deeltjes zijn. Deze vreemde eigenschap is wat kwantumspinvloeistoffen hun ongeordende eigenschappen geeft, omdat de interacties tussen Majorana-fermionen voorkomen dat het zich in een ordelijke structuur vestigt, schrijft Bushwick.
In tegenstelling tot hoe de moleculen water geordend worden terwijl het aan ijs bevriest, leidt koeling van de kwantumspinvloeistof niet tot een vermindering van de wanorde.
Quantum-spinvloeistoffen kunnen kwantumcomputers helpen ontwikkelen
Hoe krachtig moderne computers ook zijn, al hun bewerkingen komen neer op het coderen van informatie als reeksen nullen en enen. Quantumcomputers kunnen daarentegen theoretisch veel krachtiger zijn door informatie te coderen met behulp van subatomaire deeltjes die in meerdere richtingen kunnen draaien. Daardoor kunnen kwantumcomputers meerdere bewerkingen tegelijkertijd uitvoeren, waardoor ze exponentieel sneller zijn dan normale computers. Volgens de auteurs van de studie kunnen Majorana-fermionen ooit worden gebruikt als bouwstenen van kwantumcomputers door de wild ronddraaiende quasipartikels te gebruiken om allerlei snelle berekeningen uit te voeren. Hoewel dit nog steeds een zeer theoretisch idee is, zijn de mogelijkheden voor toekomstige experimenten opwindend.
