Die Schüler haben jahrelang gelernt, dass es vier beobachtbare Materiezustände gibt: Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Plasma. Aber dank der Arbeit von Physikern der Universität Cambridge und des Oak Ridge National Laboratory müssen wissenschaftliche Lehrbücher möglicherweise mit einer brandneuen Phase der Materie aktualisiert werden: „Quantum Spin Liquid“.
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Nach jahrzehntelanger Suche haben die Forscher den ersten beobachtbaren Beweis für den schwer fassbaren Zustand gefunden, der kürzlich in Nature Materials dokumentiert wurde . Hier sind drei Dinge, die Sie über Quantenspinnflüssigkeit wissen sollten:
Es ist nicht wirklich eine Flüssigkeit
Die "Flüssigkeit" in "Quantenspinnflüssigkeit" ist fast eine Fehlbezeichnung. Im Gegensatz zu bekannten Flüssigkeiten wie Wasser bezieht sich das Wort hier tatsächlich darauf, wie sich Elektronen unter bestimmten seltenen Umständen verhalten. Alle Elektronen haben eine Eigenschaft, die als Spin bezeichnet wird, und können sich entweder nach oben oder nach unten drehen. Wenn die Temperatur eines Materials abkühlt, beginnen seine Elektronen im Allgemeinen, sich in die gleiche Richtung zu drehen. Bei Materialien in einem Quantenspinnflüssigkeitszustand richten sich die Elektronen jedoch nie aus. Laut Fiona MacDonald werden sie sogar bei Temperaturen von Null zunehmend ungeordnet. Es ist diese chaotische, fließende Natur, die die Physiker anspornte, den Zustand als „flüssig“ zu bezeichnen.
Dadurch scheinen sich die Elektronen zu spalten
Jedes Atom im Universum besteht aus drei Teilchen: Protonen, Elektronen und Neutronen. Während Physiker herausgefunden haben, dass Protonen und Neutronen aus noch kleineren Teilchen bestehen, die Quarks genannt werden, wurde bisher festgestellt, dass Elektronen unteilbar sind. Vor etwa 40 Jahren stellten theoretische Physiker jedoch die Hypothese auf, dass sich die Elektronen bestimmter Materialien unter bestimmten Umständen in Quasiteilchen, sogenannte Majorana-Fermionen, aufspalten könnten, schreibt Sophie Bushwick für die Populärwissenschaft .
Jetzt brechen die Elektronen nicht auseinander, sie tun einfach so, als ob sie es tun. Aber was an Majorana-Fermionen wirklich seltsam ist, ist, dass sie auf der Quantenebene miteinander interagieren können, als wären sie tatsächlich Teilchen. Diese merkwürdige Eigenschaft verleiht Quantenspinnflüssigkeiten ihre ungeordneten Eigenschaften, da die Wechselwirkungen zwischen Majorana-Fermionen verhindern, dass sie sich zu einer geordneten Struktur entwickeln, schreibt Bushwick.
Anders als die Wassermoleküle beim Gefrieren zu Eis geordnet werden, führt das Abkühlen der Quantenspinnflüssigkeit zu keiner Verringerung der Störung.
Quantenspinnflüssigkeiten könnten bei der Entwicklung von Quantencomputern helfen
So leistungsfähig moderne Computer auch sein können, alle Vorgänge laufen darauf hinaus, Informationen als Folgen von Nullen und Einsen zu codieren. Andererseits könnten Quantencomputer theoretisch wesentlich leistungsfähiger sein, wenn sie Informationen mit subatomaren Partikeln codieren, die sich in mehrere Richtungen drehen können. Auf diese Weise können Quantencomputer mehrere Vorgänge gleichzeitig ausführen, wodurch sie exponentiell schneller als normale Computer sind. Laut den Autoren der Studie könnten die Majorana-Fermionen eines Tages als Bausteine für Quantencomputer verwendet werden, indem die wild rotierenden Quasiteilchen verwendet werden, um alle Arten von schnellen Berechnungen durchzuführen. Während dies noch eine sehr theoretische Idee ist, sind die Möglichkeiten für zukünftige Experimente aufregend.
