Tim yang dipimpin oleh fisikawan Universitas Rice Pengcheng Dai telah mengonfirmasi perilaku seperti foton yang muncul di material cairan spin kuantum. Penemuan di oksida seryum zirkonium memverifikasi es spin kuantum tiga dimensi sejati. Terobosan ini menyelesaikan teka-teki lama dalam fisika materi terkondensasi.
Para fisikawan telah lama bingung dengan perilaku cairan spin kuantum, material yang menentang pengurutan magnetik tipikal. Dalam studi yang diterbitkan di Nature Physics, para peneliti memverifikasi keberadaan foton muncul dan eksitasi spin terfraksiasi di oksida seryum zirkonium (Ce₂Zr₂O₇). Dipimpin oleh Pengcheng Dai, Profesor Sam and Helen Worden Fisika dan Astronomi di Universitas Rice, tim menggunakan teknik canggih untuk mengamati fenomena ini pada suhu mendekati nol absolut.
Cairan spin kuantum mempertahankan momen magnetik yang terjerat dalam gerakan konstan, menghindari pola teratur yang terlihat pada magnet konvensional. Keadaan ini meniru aspek elektrodinamika kuantum dan menjanjikan untuk komputasi kuantum dan transmisi energi efisien. Material Ce₂Zr₂O₇ muncul sebagai contoh murni es spin kuantum tiga dimensi.
Untuk mendeteksi sinyal sulit ini, para peneliti menggunakan penyebaran neutron terpolarisasi, yang mengisolasi kontribusi magnetik sambil meminimalkan noise saat suhu turun ke nol. Data mereka mengungkap sinyal foton muncul pada energi rendah, membedakan es spin kuantum dari fase magnetik lain. Pengukuran kalor spesifik lebih lanjut mengonfirmasi ini, menunjukkan pola dispersi mirip gelombang suara di padatan.
"Kami telah menjawab pertanyaan terbuka utama dengan mendeteksi eksitasi ini secara langsung," kata Dai. "Ini mengonfirmasi bahwa Ce₂Zr₂O₇ berperilaku sebagai es spin kuantum sejati."
Upaya sebelumnya menghadapi tantangan dari keterbatasan teknis dan sampel tidak murni, tetapi persiapan yang ditingkatkan dan instrumen dari lab di Eropa dan Amerika Utara memungkinkan hasil lebih jelas. Tim juga melihat spinon, memperkuat prediksi teoretis.
Bin Gao, penulis utama studi dan peneliti di Rice, mencatat dampak lebih luas: "Hasil mengejutkan ini mendorong ilmuwan untuk menyelami lebih dalam material unik seperti ini, berpotensi mengubah pemahaman kita tentang magnet dan perilaku material di rezim kuantum ekstrem."
Penulis bersama termasuk pakar dari Universitas Toronto, Universitas Teknologi Wina, Institut Laue-Langevin, Pusat Jülich, dan Universitas Rutgers. Pendanaan dari Departemen Energi AS, Gordon and Betty Moore Foundation, dan Robert A. Welch Foundation.
Pengamatan ini menyediakan platform kuat untuk mengeksplorasi materi kuantum terjerat dan aplikasinya teknologi.