Các nhà nghiên cứu của Đại học Brown đã đạt được những bước tiến lớn trong việc tìm hiểu trạng thái phức tạp của vật chất được gọi là chất lỏng spin lượng tử. Ngược lại với nam châm tiêu chuẩn vốn đông đặc khi nhiệt độ giảm, chất lỏng spin lượng tử vẫn ở trạng thái dao động. Một nghiên cứu gần đây, tập trung vào hợp chất H3LiIr2O6, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò của sự mất trật tự trong các vật liệu này. Họ phát hiện ra rằng trạng thái chất lỏng lượng tử không bị mô phỏng hay phá hủy bởi sự hỗn loạn mà đã bị thay đổi đáng kể. Nghiên cứu này mang lại hy vọng cho công nghệ lượng tử, đặc biệt là trong lĩnh vực điện toán lượng tử.

Một nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Brown dẫn đầu bắt đầu giải quyết một câu hỏi tồn tại từ lâu trong vật lý vật chất ngưng tụ: liệu sự rối loạn bắt chước hay phá hủy trạng thái chất lỏng lượng tử trong một hợp chất nổi bật. Chất lỏng spin lượng tử rất khó giải thích và thậm chí còn khó hiểu hơn.

Trước hết, chất lỏng spin lượng tử không liên quan gì đến chất lỏng hàng ngày như nước hoặc nước trái cây, mà liên quan đến nam châm đặc biệt và cách chúng quay. Trong một nam châm bình thường, khi nhiệt độ hạ xuống, các spin của electron về cơ bản đóng băng, tạo thành một khối rắn. Tuy nhiên, trong chất lỏng spin lượng tử, spin của electron không đóng băng - thay vào đó, các electron vẫn ở trạng thái chuyển động không đổi, giống như trong chất lỏng chảy tự do.

Chất lỏng spin lượng tử là một trong những trạng thái lượng tử vướng víu nhất từng được tưởng tượng và các đặc tính của chúng là chìa khóa cho các ứng dụng mà các nhà khoa học tin rằng có thể thúc đẩy sự phát triển của công nghệ lượng tử. Bất chấp 50 năm khám phá chất lỏng spin lượng tử và nhiều lý thuyết chỉ ra sự tồn tại của chúng, chưa ai từng nhìn thấy bằng chứng rõ ràng về trạng thái này của vật chất. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu có thể không bao giờ nhìn thấy bằng chứng như vậy vì rất khó đo trực tiếp sự vướng víu lượng tử, một hiện tượng mà Einstein nổi tiếng gọi là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”. Hiện tượng này được Einstein gọi là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”, tức là hai nguyên tử liên kết với nhau và có thể trao đổi thông tin cho dù chúng ở cách xa nhau đến đâu.

Vai trò của sự rối loạn trong chất lỏng spin lượng tử

Bí ẩn về chất lỏng spin lượng tử đặt ra những câu hỏi lớn về vật liệu kỳ lạ này trong vật lý vật chất ngưng tụ mà cho đến ngày nay vẫn chưa có lời giải đáp. Nhưng trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Nature Communications, một nhóm các nhà vật lý do Đại học Brown dẫn đầu đã đặt ra cách làm sáng tỏ một trong những câu hỏi quan trọng nhất và làm được điều đó bằng cách đưa ra một pha mới của vật chất. Tất cả đều dẫn đến sự rối loạn.

Camp-Plumb, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Brown và là tác giả cấp cao của nghiên cứu mới, giải thích rằng "tất cả các vật liệu đều mất trật tự ở một mức độ nào đó" và sự rối loạn có liên quan đến số lượng sắp xếp vi mô của các thành phần trong một hệ thống. Ví dụ, các hệ có trật tự (như tinh thể rắn) có ít cách để tự sắp xếp lại, trong khi các hệ mất trật tự (như chất khí) không có cấu trúc thực sự.

Trong chất lỏng spin lượng tử, sự khác biệt do sự rối loạn mang lại về cơ bản đi ngược lại lý thuyết đằng sau chất lỏng. Một lời giải thích phổ biến là khi xuất hiện sự hỗn loạn, vật liệu không còn là chất lỏng spin lượng tử nữa mà chỉ đơn giản là một nam châm ở trạng thái mất trật tự. “Vì vậy, câu hỏi lớn là liệu trạng thái chất lỏng spin lượng tử có thể tồn tại trong trạng thái hỗn loạn hay không, và nếu có thì bằng cách nào?” Mận nói.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia X sáng nhất thế giới để phân tích sóng từ trong các hợp chất mà họ nghiên cứu, tìm kiếm manh mối về chất lỏng spin lượng tử. Các phép đo cho thấy vật liệu không những không trở nên trật tự từ tính (hoặc đóng băng) ở nhiệt độ thấp, mà các trạng thái mất trật tự có trong hệ cũng không bắt chước hoặc phá vỡ trạng thái chất lỏng lượng tử.

Họ phát hiện ra rằng sự rối loạn làm thay đổi đáng kể trạng thái này.

“Chất lỏng lượng tử có thể tồn tại được,” Plum nói. “Nó không đóng băng như một nam châm thông thường. Nó duy trì trạng thái động này, nhưng nó giống như một phiên bản không liên quan của trạng thái động. Lời giải thích của chúng tôi hiện nay là chất lỏng spin lượng tử bị vỡ thành những vũng nhỏ khắp vật liệu.”

TAGP H1Tác động và nghiên cứu trong tương lai

Kết quả nghiên cứu về cơ bản cho thấy vật liệu họ nghiên cứu là một trong những ứng cử viên chính cho chất lỏng spin lượng tử. Nó trông gần giống với chất lỏng spin lượng tử, nhưng nó có thêm một thành phần nữa. Các nhà nghiên cứu tin rằng đây là chất lỏng spin lượng tử rối loạn, một giai đoạn mới của vật chất rối loạn.

Plumb cho biết: "Một điều có thể xảy ra ở vật liệu này là nó trở thành một phiên bản mất trật tự của trạng thái chất lỏng spin phi lượng tử, nhưng các phép đo của chúng tôi sẽ cho chúng tôi biết điều đó. Thay vào đó, các phép đo của chúng tôi cho thấy đây là một trạng thái rất khác."

Những kết quả này giúp chúng tôi hiểu sâu hơn. về sự rối loạn ảnh hưởng như thế nào đến các hệ lượng tử và cách giải thích nó, điều này rất quan trọng để khám phá ứng dụng của những vật liệu này trong điện toán lượng tử.

Công trình này là một phần của nghiên cứu lâu dài về các trạng thái từ tính kỳ lạ tại Phòng thí nghiệm Plum của Đại học Brown. Nghiên cứu tập trung vào hợp chất H3LiIr2O6, một vật liệu được cho là nguyên mẫu tốt nhất của một loại chất lỏng spin lượng tử đặc biệt được gọi là chất lỏng spin Kitaev. Mặc dù H3LiIr2O6 được biết là không đóng băng ở nhiệt độ thấp, nhưng nó nổi tiếng là khó sản xuất trong phòng thí nghiệm, và người ta biết rằng sự rối loạn tồn tại trong H3LiIr2O6, điều này che khuất liệu H3LiIr2O6 có thực sự là một chất lỏng quay hay không.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Brown, làm việc với các cộng tác viên tại Cao đẳng Boston, đã tổng hợp vật liệu và sau đó chiếu sáng nó bằng ánh sáng năng lượng cao bằng hệ thống tia X mạnh mẽ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois. Ánh sáng kích thích từ tính trong các hợp chất và việc đo nó từ các sóng mà nó tạo ra là một giải pháp để đo sự vướng víu vì nó cung cấp một cách để xem ánh sáng ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống như thế nào.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục mở rộng công việc này bằng cách cải tiến phương pháp, bản thân vật liệu và nghiên cứu các vật liệu khác nhau.

Plumb cho biết: "Điều lớn nhất cho tương lai là những gì chúng tôi đang làm, đó là tiếp tục tìm kiếm không gian vật liệu thực sự rộng lớn mà bảng tuần hoàn cung cấp cho chúng tôi. Giờ đây, chúng tôi có những ý tưởng khác nhau về các nguyên tố. Chúng tôi hiểu rõ hơn về cách kết hợp ảnh hưởng đến tương tác hoặc tạo ra các loại rối loạn khác nhau ảnh hưởng đến chất lỏng quay. Điều này thực sự quan trọng vì đây thực sự là một lĩnh vực rất rộng để khám phá."