彼らは物質の最も奇妙な状態の一つである量子液体を初めて検出した

一見すると、物理学は明白に思えます。水を冷やすと、最終的には氷になります。ほとんどの物質を冷却し続けると、それらの原子は可動性を失い、最終的にはますます堅固な構造に組織化されてしまいます。は 最も基本的な自然の法則の 1 つである寒冷凍結。しかし、量子力学は何十年もの間、例外があることを示唆してきました。

一部の物質は、「量子スピン液体」として知られる異常な状態を保持している可能性があります。これは、発見されたにもかかわらず、物質のエキゾチックな形態です。 極度の低温でも磁気的に凍ることはありません。 50 年以上にわたり、物理学者はその存在を決定的に証明しようと試みてきました。

今回、アイルランドのユニバーシティ・カレッジ・コーク（UCC）の研究者が率いる国際チームは、次のことを発見したと主張している。 新しい実験技術のおかげでこれまでに得られた最も強力な証拠の一部 この神秘的な量子状態の内部励起を直接観察することができます。結果はNature誌に掲載されました。

「私たちが提供する量子証人技術を導入することで、 量子スピン液体の物理学に関するまったく新しい視点であり、その内部励起に直接アクセスします。 あるいは「スピノン」は初めてだ」と研究リーダーのシェイマス・デイビス氏は説明する。

この結果を理解するには、次のような簡単な質問から始める価値があります。 何かが液体であるとは正確には何を意味しますか?水などの従来の液体では、分子は相互に自由に移動できます。 温度が十分に下がるとその動きはなくなり固まります。磁石でも同様のことが起こります。

各原子は「スピン」と呼ばれる量子特性を持っており、これは小さな顕微鏡のコンパスと考えることができます。ほとんどの磁性材料では、冷却されると、軍隊の兵士が隊列を形成するのと同じように、これらのスピンが安定したパターンで整列することになります。しかし、一部の素材はそのルールに従うことを拒否しているようです。

彼らの中には、 絶対零度に近い温度でもスピンは変動し続ける。それらは完全に順序付けられることはありません。それらは、量子もつれによって支配される一種の永久液体状態に留まります。

「通常、量子もつれについて考えるとき、私たちは2つか3つの粒子を使った慎重に準備された実験を想像します – 研究の共著者であるフェリックス・フリッカー氏は付け加えました – しかし、量子スピン液体では、各スピンは他のすべてのスピンともつれます。そしてこれは 「それは自然に起こります。これらの結晶が地面に転がっているのを見つけることができます。」

研究の主人公は、 2004年に初めて合成されたハーバースミス石と呼ばれる鉱物 それ以来、量子スピン液体をホストする最もよく知られた候補と考えられています。しかし、これを証明することは非常に困難であることが判明しました。問題は、鉱物には測定を妨げる小さな磁性不純物が含まれていることです。科学者たちは長年にわたり、材料の実際の挙動を観察するために、これらの信号を数学的に排除しようと試みてきました。しかし、デイビスのチームは全く異なる戦略を選択した。 彼らは不純物を問題として考えるのではなく、それをツールとして利用することにしました。 この研究の著者らは、これらの磁性不純物を、あたかも結晶の内部挙動の「証人」として機能することができる小さな天然の量子ビットであるかのように扱った。

「ウィットネススピンは、量子スピン液体を介して互いに相互作用します」と、この研究の共著者イオン・ウッド・サナン氏は言う。 これらの証人の力学を測定することによって、量子液体の特性を推定することができます。友人がプールの反対側から電話をかけてきたと想像してください。振動が水中を伝わるので聞こえるのです。今度は海上での同じ状況を想像してみてください。塩水は音の伝達が早いため、彼らの声をより早く聞くことができます。信号がどのように到着するかを観察することで、信号が通過した媒体の特性を推測できます。」

デイビス氏のチームは海上で信号を送信するのと同様のことを行ったが、音を聞く代わりに、結晶によって生成される非常に弱い磁気の変動を聞いた。このために彼らは開発した 「ウィットネススピン分光法」と呼ばれる技術。 使用された装置は SQUID (超伝導量子干渉装置) として知られ、これまでに作られたものの中で最も感度の高い磁気検出器の 1 つです。

彼らが測定できた信号は、地球の自然磁場よりも約10億分の1弱かった。一見するとランダムなノイズのように見えました。しかし、慎重に分析した結果、彼らは予想外のことを発見しました。ノイズは、多くの自然系に存在する統計的特徴である「ピンクノイズ」として知られる非常に特殊なパターンに従っていたのです。このフィンガープリントにより、目撃スピンがどのように相互作用するかを再構築することができ、スピノンと呼ばれる出現粒子の存在が明らかになりました。

スピノンは電子や光子のような基本的な粒子ではありません。これらは創発粒子、つまり多くの粒子が特定の方法で相互作用する場合にのみ現れる集合的な実体です。わかりやすい例えとして、スタジアム内の波を考えてみましょう。個々の観客が波であるわけではありませんが、何千人もの人々が動きを調整すると、独自の特性を持つ新しい現象が現れます。 量子の世界ではありますが、スピノンも同様のものになります。

そして重要なことは、その存在が量子スピン液体の特徴の一つであるということです。だからこそ、その検出は、ハーバースミス鉱が実際にこのエキゾチックな状態の物質を内包していることを示す、これまでに得られた最も強力な証拠の 1 つを表しているのです。この発見は、基礎物理学を超えて、たとえば将来のエラー耐性のある量子コンピューターの基礎など、重要な技術的意味を持つ可能性がある。

ハーバースミス石はまだ、量子コンピューターを構築するために必要な特性を正確には備えていないが、デイビスのチームはそれをシリコンの歴史と比較している。 それが情報革命全体の基礎となるまで、もう 1 つのミネラル。量子スピン液体も同様の経路をたどる可能性があります。