Πριν από σαράντα χρόνια, οι θεωρητικοί φυσικοί είχαν προβλέψει ότι κάποια υλικά θα μπορούσαν να μπουν σε μία παράξενη κατάσταση, με τα ηλεκτρόνια τους να διασπώνται, δημιουργώντας εν τέλει ένα σώμα που δεν είναι ούτε στερεό, ούτε υγρό, αλλά ούτε και αέριο.
Μέχρι πρόσφατα όμως, δεν είχε επιβεβαιωθεί η θεωρία. Πριν λίγες μέρες όμως, οι ερευνητές παρατήρησαν κάτι πρωτόγνωρο, που όπως όλα δείχνουν επιβεβαιώνει τους θεωρητικούς. Τα ηλεκτρόνια, που θεωρούνται θεμελιώδη και αδιάσπαστα δομικά συστατικά της ύλης, ίσως τελικά να μην έχουν τις ιδιότητες που τόσα χρόνια πιστεύαμε.
Σε δισδιάστατο υλικό βρέθηκε αυτό που ονόμαζαν οι θεωρητικοί φυσικοί «κλασματικά ηλεκτρόνια». Αυτό επαληθεύει την παλαιά θεωρία και δείχνει πως ένα νέο σώμα (πέραν στερεού, υγρού και αερίου) μπορεί να υπάρχει. Το λεγόμενο κβαντικό υγρό σπιν, ή καλύτερα quantum spin liquid (QLS). Το νέο κβαντικό υγρό αποτελεί μια πολύ περίεργη, νεοεμφανιζόμενη μορφή ύλης όπου τα ηλεκτρόνια χωρίζονται σε ημισωματίδια που ονομάζονται φερμιόνια Majorana.
Παρόλο που τα ηλεκτρόνια είναι αδύνατον να διασπαστούν κανονικά, ως θεμελιώδες συστατικό της ύλης, οι ερευνητές παρατήρησαν πως μπορούν να συμπεριφερθούν σαν να έχουν διασπαστεί. Η... μαγεία της κβαντομηχανικής! Τα αποτελέσματα του πειράματος, μας μεταφέρουν στο μοντέλο Kitaev, αυτό που είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν 40 χρόνια.
Τι είναι το QLS – Η διαφορά με τις υπόλοιπες μορφές ύλης – Σε τι μπορεί να βοηθήσει
Σύμφωνα με τους θεωρητικούς, τα κβαντικά υγρά σπιν (QSL) είναι κβαντικές καταστάσεις της ύλης που «κρύβονται» σε ορισμένα μαγνητικά υλικά. Η διάσπαση, ή καλύτερα κλασματοποίηση, του ηλεκτρονίου, είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την θεωρία. Κάτι που αποδείχθηκε πως είναι δυνατόν. Τι είναι όμως το QLS;
Πέρα από της μορφές της ύλης που παρατηρούμε στην καθημερινή μας ζωή, υπό παράξενες συνθήκες ένα υλικό μπορεί να παρουσιάσει διαφορετικά χαρακτηριστικά και συμπεριφορές. Μια από τις πιο... εξωτικές καταστάσεις της ύλης είναι το QLS.
Κάθε ηλεκτρόνιο, χαρακτηρίζεται (πέραν από τη στιβάδα του) από το σπιν του, ή αλλιώς την ιδιοστροφορμή, η οποία μπορεί να γίνει προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις. Σε ορισμένες καταστάσεις της ύλης, αυτές οι περιστροφές «συγχρονίζονται» στην ίδια κατεύθυνση. Σε γενικές γραμμές έχει παρατηρηθεί πως όταν η θερμοκρασία ενός υλικού πέφτει, τότε τα ηλεκτρόνια του γυρνούν προς την ίδια κατεύθυνση. Στο QLS ωστόσο υπάρχει η απόλυτη αταξία ως προς την ιδιοστροφορμή.
Για αυτό το λόγο το QLS περιγράφεται ως ειδική περίπτωση υγρού (liquid), αφού στα υγρά σώματα παρατηρείται ανομοιομορφία στο σπιν. Η βασικά διαφορά ανάμεσα σε υγρά και QLS, είναι πως όταν ένα υγρό ψυχρανθεί, τότε τα σπιν των ηλεκτρονίων «ευθυγραμμίζονται», ενώ αντίθετα στα QLS δεν παρατηρείται καμία διαφορά.
Αυτό συμβαίνει γιατί, όχι μόνο τα ηλεκτρόνια στα QLS κοιτάζουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις, αλλά επειδή αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους. Αυτό τα κάνει να συμπεριφέρονται σαν κλάσματα ηλεκτρονίων και να σχηματίζουν αυτήν την ιδιόμορφη ύλη.
Που όμως μπορεί να χρησιμεύσει αυτή η νέα ύλη; Οι επιστήμονες εικάζουν πως το QLS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δομήσει κβαντικούς υπολογιστές, που θα μπορούν να είναι πολύ ισχυρότεροι και ταχύτεροι των σημερινών. Θα μπορούν να εκτελούν υπολογισμούς και να αναλύουν δεδομένα που σήμερα τους μπλοκάρουν.