قاد فريق بقيادة عالم الفيزياء في جامعة رايس بينغتشينغ داي ما أكد سلوكًا ناشئًا مشابهًا للفوتونات في مادة سائل سبين كمي. الاكتشاف في أكسيد السيريوم الزركونيوم يثبت وجود ثلج سبين كمي ثلاثي الأبعاد حقيقي. هذا الاختراق يحل لغزًا قديمًا في فيزياء المادة المكثفة.
لطالما حار الفيزيائيون في سلوك سوائل السبين الكمية، وهي مواد تتحدى الترتيب المغناطيسي النموذجي. في دراسة نُشرت في Nature Physics، أكد الباحثون وجود فوتونات ناشئة وإثارات سبين مجزأة في أكسيد السيريوم الزركونيوم (Ce₂Zr₂O₇). بقيادة بينغتشينغ داي، أستاذ سام وهيلين ووردن في الفيزياء والفلك بجامعة رايس، استخدم الفريق تقنيات متقدمة لملاحظة هذه الظواهر عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.
تحافظ سوائل السبين الكمية على لحظات مغناطيسية مترابطة في حركة مستمرة، متجنبة الأنماط المنتظمة في المغناطيس التقليدي. هذه الحالة تحاكي جوانب من الكهرومغناطيسية الكمية ولها إمكانيات في الحوسبة الكمية ونقل الطاقة الفعال. برز المادة Ce₂Zr₂O₇ كنموذج نقي لثلج سبين كمي ثلاثي الأبعاد.
للكشف عن هذه الإشارات الغامضة، استخدم الباحثون تشتت نيوترونات قطبي، الذي عزل المساهمات المغناطيسية مع تقليل الضوضاء مع انخفاض درجات الحرارة نحو الصفر. كشفت بياناتهم عن إشارات فوتونات ناشئة عند طاقات منخفضة، مما يميز ثلج السبين الكمي عن المراحل المغناطيسية الأخرى. أكدت قياسات الحرارة النوعية ذلك، موضحة أنماط تشتت تشبه موجات الصوت في المواد الصلبة.
"لقد أجبنا على سؤال مفتوح رئيسي بكشف هذه الإثارات مباشرة"، قال داي. "هذا يؤكد أن Ce₂Zr₂O₇ يتصرف كثلج سبين كمي حقيقي."
واجهت الجهود السابقة تحديات من قيود فنية وعينات غير نقية، لكن التحضير المحسن والأجهزة من معامل في أوروبا وأمريكا الشمالية مكن من نتائج أوضح. كما اكتشف الفريق سبينونات، مدعماً التوقعات النظرية.
بين غاو، المؤلف الرئيسي للدراسة وعالم بحث في رايس، أشار إلى التأثير الأوسع: "هذه النتيجة المدهشة تشجع العلماء على النظر أعمق في مثل هذه المواد الفريدة، مما قد يغير فهمنا للمغناطيسات وسلوك المواد في النظام الكمي المتطرف."
يشمل المؤلفون المشاركون خبراء من جامعة تورونتو، جامعة فيينا التقنية، معهد لو-لانجفان، مركز يوليخ، وجامعة روتجرز. جاء التمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، مؤسسة غوردون وبيتي مور، ومؤسسة روبرت أ. ويلش.
توفر هذه الملاحظة منصة قوية لاستكشاف المادة الكمية المترابطة وتطبيقاتها التكنولوجية.
