Fizičari Ivan Jakovac i Mihael Grbić sa zagrebačkog PMF-a u suradnji s međunarodnim timom eksperimentalno su potvrdili kvantno ponašanje predviđeno prije više od dvadeset godina. U organskom kristalu pratili su kako snažno magnetsko polje mijenja ponašanje povezanih magnetskih momenata.
Riječ je o Haldaneovu lancu, modelu koji opisuje niz međusobno povezanih kvantnih magnetskih momenata. Mjerenja su potvrdila predviđanja iz 2002. i 2003. godine te pokazala gdje sustav prelazi iz jedne kvantne faze u drugu.
Rezultate su objavili 22. rujna u časopisu Physical Review Letters. U istraživanju su sudjelovali i znanstvenici iz Japana, Francuske i Njemačke.
Zašto je jednostavan lanac tako teško napraviti
Ključan je pojam spin, kvantno svojstvo čestice povezano s njezinim magnetskim ponašanjem. U ovom modelu spinovi čine lanac, a susjedi teže suprotnom usmjerenju. Oznaka S = 1 opisuje njihovu kvantnu vrijednost.
Teškoća je u tome što stvarni kristali magnetskim momentima često nameću povlašteni smjer, dok ga idealni model nema. To svojstvo, magnetska anizotropija, otežava izravnu usporedbu mjerenja s teorijom.
Prema objavi Fizičkog odsjeka PMF-a, istraživači su desetljećima razvijali spojeve koji bi vjerno predstavljali Haldaneov lanac. Oko dvadeset dotad sintetiziranih spojeva na bazi metala imalo je upravo takva ograničenja.
Tim je zato odabrao organski spoj skraćeno nazvan BoNO. Ne sadrži prijelazne metale, a njegova je magnetska anizotropija izrazito mala. Zbog toga se njegovo ponašanje može mnogo izravnije usporediti s teorijskim modelom.
Magnetskim poljem do dviju kvantnih faza
Na niskim temperaturama i u visokom magnetskom polju tim je pratio prijelaze između dvaju stanja. Jedno se naziva Tomonaga-Luttingerova tekućina. Riječ je o kvantnoj fazi unutar čvrstog kristala, u kojoj međudjelovanje spinova duž lanca određuje zajedničko ponašanje sustava.
U toj su fazi potvrdili predviđenu privlačnu interakciju među kvazičesticama. Tim se nazivom opisuju pobuđenja koja nastaju zajedničkim djelovanjem povezanih čestica i mogu se pratiti kao zasebne cjeline.
Na još nižim temperaturama istraživači su u Haldaneovu lancu ostvarili i magnetski Bose-Einsteinov kondenzat. U toj fazi magnetska pobuđenja prelaze u usklađeno kolektivno stanje.
Granica pri kojoj nastaje ta faza slagala se s kvantnim Monte Carlo izračunima, računalnom metodom kojom se ispituje ponašanje takvih sustava. Promjenom magnetskog polja istraživači su upravljali brojem pobuđenja. Pri gornjem kritičnom polju sustav se potpuno polarizirao.
Precizan pokus za provjeru kvantne teorije
Za praćenje promjena poslužila je nuklearna magnetska rezonancija. Istraživači su iz odziva vodikovih jezgara zaključivali o magnetskim procesima u kristalu te rezultate uspoređivali s teorijskim izračunima.
Rad je dobio oznaku Editors’ Suggestion, kojom časopis izdvaja osobito zanimljive rezultate. BoNO se pritom pokazao kao materijal u kojem se predviđanja o Haldaneovu lancu mogu provjeravati uz znatno manji utjecaj magnetske anizotropije koja je ograničavala ranije pokuse.
