Mezinárodní skupina fyziků úspěšně vytvořila osamocený spinon – neočekávanou kvantovou kvazčástici, jejíž existence mění naše chápání magnetismu a otevírá nové možnosti pro kvantové výpočty.
Zdroj: ChatGPT/EFZveřejněno Eugenio M. Fernández AguilarFyzik, spisovatel a popularizátor vědy.
Ne všechny revoluční objevy ve fyzice jsou doprovázeny velkými zařízeními nebo složitými experimenty. Někdy může nečekaně jednoduchý nápad změnit naše chápání něčeho tak běžného, jako je magnetismus . Nedávný výzkum mezinárodní skupiny fyziků ukázal, že za určitých podmínek může vzniknout kvantová kvazčástice , která byla dříve považována za existující pouze v párech : osamocený spinon .
Tento objev, publikovaný v prestižním časopise Physical Review Letters, nejenže řeší dlouholetou hádanku fyziky pevných látek, ale také otevírá cestu k budoucím aplikacím v kvantových výpočtech a pokročilých magnetických materiálech. Jak vysvětlují autoři studie, ukázali, že jeden spinon může vznikat kontrolovaným způsobem v teoretickém modelu známém jako jednorozměrný Heisenbergův řetězec . Dosud se mělo za to, že tyto excitace lze pozorovat pouze v párech. Samotný fakt objevu jednoho spinonu představuje změnu paradigmatu.VědaNový teoretický přístup k kvantové entropii potvrzuje překvapivý jev: kvazčástice mizí v kritickém bodě.Eugenio M. Fernández Aguilar
Částice, která není částicí
V kvantové fyzice existují entity, které nejsou částicemi v klasickém smyslu, ale chovají se, jako by jimi byly. Nazývají se kvazčástice a spinon je jednou z nich. Jedná se o excitaci nesoucí spin (kvantová vlastnost podobná hybnosti) bez elektrického náboje. Jedná se tedy o jakýsi „fragment“ elektronu, který si zachovává spin, ale ne náboj.
Zajímavé je, že tento spinon se objevuje ve velmi specifických magnetických materiálech, zejména v těch, kde elektrony silně interagují mezi sebou. V těchto prostředích jsou kvantové efekty tak intenzivní, že kolektivní chování elektronů vede k zcela novým jevům, jako by se elektron rozdělil na jednotlivé složky . Spinon je jednou z těchto složek a jeho studium je již několik desetiletí teoretickým i experimentálním úkolem.
Schematické znázornění toho, jak se generují různé excitace v kvantových spinových řetězcích: od magnonu při spinovém převrácení (a) po dva spinony, které se rozdělují v antiferomagnetické mřížce (b), a nakonec jeden spinon, který vzniká při přidání dalšího spinu a pohybuje se mezi zapletenými páry (c).
Model, který nám umožnil „vidět“ jednotlivý spin
Aby pochopili, jak tento jev vzniká, použili vědci známý teoretický model: jednorozměrný antiferomagnetický Heisenbergův řetězec . V tomto systému se elektronové spiny střídají podle orientace – jeden nahoru, druhý dolů – a nacházejí se ve stavu kvantové zamotanosti. Tento model byl matematicky vyřešen Hansem Betem v roce 1931, ale mnoho jeho fyzikálních důsledků bylo pochopeno až po nějaké době.
Nový průlom je založen na použití jednoduché, ale účinné metody: přidání dalšího spinu do řetězce v jeho základním stavu, tedy bez změny jeho počátečních podmínek. Je překvapivé, že tato malá změna stačí k vytvoření excitace, která se chová jako jeden spin a má všechny očekávané vlastnosti této kvazčástice, včetně její specifické disperze energie.
Podle autorů „demonstrujeme, jak lze jeden spin excitovat přidáním dalšího spinu k základnímu stavu“. Tato strategie nevyžaduje složité manipulace ani nereálné předpoklady, což potvrzuje její relevanci jako koncepčního a potenciálně experimentálního nástroje.
Nový způsob interpretace magnetismu
Spinony byly dlouho považovány za nevyhnutelný důsledek určitých magnetických excitací, ale vždy se vyskytovaly v párech. Změna, kterou přináší tato studie, spočívá v možnosti získání a popisu izolovaného spinonu, což umožňuje jasnější interpretaci jeho povahy.
Práce také vyvrací v odborné literatuře rozšířenou představu, že spinon lze představit jako „doménovou stěnu“ pohybující se v uspořádané magnetické mřížce typu Néleze. Autoři jasně prohlašují, že „tento rozšířený obraz nelze použít na spinon“. Místo toho navrhují přesnější představu, podle které se spinon pohybuje jako samostatný spin ve stavu valenční vazby – typu konfigurace, ve které jsou spiny spárovány v pravidelném, ale kvantově propleteném uspořádání.
Klíč k rozluštění spočívá v kvantové provázanosti základního stavu. Chování spinonu není způsobeno samotným vzrušením, ale hlubokou strukturou výchozího stavu, což vede k důležitému závěru: vlastnosti kvazčástic jsou určeny typem kvantových korelací přítomných v základním systému.VědaÚžasný objev nové třídy „částic“ slibuje revoluci v kvantové mechanice: zlomkové excitony představují průlomový milník v našem chápání základních zákonů fyziky.Eugenio M. Fernández Aguilar
Dalším pozoruhodným objevem výzkumu je specifická disperze energie jediného spinonu, tedy to, jak se jeho energie mění v závislosti na impulsu. Na rozdíl od mnoha jiných částic nebo kvazčástic může spinon existovat pouze v polovině povoleného impulsního prostoru . Toto omezení není libovolné: je dáno tím, že v určitých oblastech se norma jeho vlnové funkce blíží nule , což znamená, že v těchto podmínkách prostě nemůže existovat .
Podle článku „rozptyl spinonů nastává pouze v první polovině Brillouinovy zóny“ a tato vlastnost je způsobena kvantovou provázaností přítomnou v základním stavu systému. Toto pozorování není pouhou matematickou kuriozitou, ale ukazatelem toho, jak hluboce jsou vlastnosti spinonu spojeny se strukturou systému, který jej vytváří .
Navíc závislost mezi energií spinu a impulsem je lineární při nízkých energiích, což je charakteristické pro relativistické částice, jako jsou fotony. To potvrzuje její fundamentální povahu a vyvolává zajímavé otázky o její roli v jiných, složitějších kvantových systémech.
Experimentální potvrzení a další směřování
Ačkoli práce Kulki, Panfila, Bercha a Wolffa je teoretická, jejich předpovědi již byly potvrzeny experimentálními výsledky. Nezávislé skupině se podařilo pozorovat jediný spinový stojatý vlnění ve spinovém řetězci na bázi nanografénu pomocí pokročilých metod, jako je skenovací tunelová mikroskopie.
Tato přímá verifikace je zásadním krokem, který ukazuje, že fyzika jednotlivých spinonů není jen teoretickou kuriozitou, ale realitou dostupnou v reálných systémech. Možnost generovat, manipulovat a studovat tyto stavy v laboratorních podmínkách otevírá nové možnosti pro kvantové výpočty, vývoj materiálů s jedinečnými magnetickými vlastnostmi a výzkum exotických kvantových stavů.
Podle autorů je „tento postup univerzální a lze jej použít na jakýkoli jednorozměrný spinový model“. Dokonce předpokládají, že metoda může být rozšířena na vícerozměrné systémy, i když to ještě vyžaduje další výzkum.
Další část složité kvantové hádanky
Objev jediného spinonu nejen doplňuje teoretický obraz, který se formoval po desetiletí, ale také slouží jako příklad toho, jak kvantová fyzika nadále vyzývá naši intuici. To, co se zdálo jako omezení – nutnost existence spinonových párů – se ukázalo být pouze důsledkem neúplných modelů nebo příliš klasických aproximací.
Tento objev umožňuje učinit obecnější závěr: emergentní vlastnosti kolektivních kvantových systémů nelze pochopit bez zohlednění jejich spletitosti . Spinon není izolovaná entita, ale projev celkového stavu systému.
Kromě přímého použití nabízí tato studie důležitou lekci: kvantová fyzika nejen mění naše technologie, ale také mění způsob, jakým přemýšlíme o realitě .
