Raziskovalec Martin Klanjšek o odkritju visokotemperaturne spinske tekočine

Kvantne magnete, kot je plastoviti kristal TaS2, sestavljajo magnetne iglice oziroma spini. V večini primerov so spini pri dovolj visoki temperaturi povsem neurejeni, kar lahko v grobem primerjamo s plinastim agregatnim stanjem.

Če tak magnetni sistem dovolj ohladimo, pa se spini uredijo, podobno kot se uredijo atomi v kristalu v trdnem agregatnem stanju, je pojasnil eden od avtorjev članka, tudi znanstvenik na Institutu Jožef Stefan (IJS) ter predavatelj na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko (FMF), Martin Klanjšek.

Sodelavci treh odsekov IJS in FMF so ugotovili, da se spini v kristalu TaS2 ne uredijo niti pri temperaturi -273 stopinj Celzija (torej skoraj pri absolutni ničli) in da dejansko tvorijo novo stanje kvantne spinske tekočine, ki je analog tekočega agregatnega stanja. Še več, dokazali so, da spinska tekočina vztraja tudi pri zelo visokih temperaturah.

Kvantna fizika se namreč običajno odvija pri izjemno nizkih temperaturah, spinska tekočina, ki so jo odkrili slovenski znanstveniki, pa preživi tudi pri -100 stopinjah Celzija, kar je za kvantno fiziko izjemno visoka temperatura, je poudaril Klanjšek.

To kvantno stanje je torej lahko dosegljivo pri temperaturah, ki jih znanstveniki dokaj enostavno dosežejo v laboratoriju z uporabo široko dostopnega tekočega dušika, kar prinaša pomembne implikacije za razvoj kvantnih tehnologij, je poudaril Klanjšek.

Prvi je spinsko tekočino napovedal Nobelov nagrajenec P. W. Anderson že pred več kot 40 leti, ko je razmišljal o nenavadnih magnetnih lastnostih plastovitega kristala TaS2.

Magnetna stanja, ki bi bila analogna tekočemu agregatnemu stanju, so bila sicer teoretično napovedana, a doslej v naravi izredno redko opažena, pa še to pri izjemno nizkih temperaturah v bližini absolutne ničle (-273 stopinj Celzija).

Kvazidelci odpirajo nove možnosti

Kot je pojasnil Klanjšek, so spinske tekočine zanimive same po sebi, ker gre za novo agregatno stanje magnetne snovi, še bolj pomembne pa so zaradi zelo nenavadnih osnovnih vzbuditev oziroma t.i. kvazidelcev, ki nastanejo iz tega stanja. Kvazidelci so po besedah Klanjška koncept, ki nam omogoča razumeti obnašanje katerekoli snovi pri temperaturah nad absolutno ničlo (torej nad -273 stopinjami Celzija).

Koncept kvazidelca je vpeljal Nobelov nagrajenec Lev Landau pri preučevanju supertekočnosti helija. Morda najbolj znan primer kvazidelca je foton kot "delec" oziroma kvant svetlobe, v zadnjem desetletju pa so znanstveniki odkrili kar nekaj zelo zanimivih novih kvazidelcev.

"Ti kvazidelci so zanimivi predvsem, ker so bili teoretično sicer napovedani, a v naravi nikoli odkriti kot samostojni delci. Poleg tega pa za skoraj vse obstajajo predlogi, kako bi se jih dalo praktično uporabiti. So pač ravno dovolj drugačni od prej poznanih, da njihove lastnosti potencialno odpirajo nove možnosti," je pojasnil Klanjšek.

Kvazidelci pomembni za razvoj kvantnega računalništva

Ena vrsta zanimivih kvazidelcev, ki bodo najverjetneje pomembni za razvoj kvantnih tehnologij, so anyoni. Ime izvira iz angleškega "any", se pravi 'karkoli', s čimer želijo poudariti razliko glede na ostale poznane delce in kvazidelce, ki jih je mogoče uvrstiti bodisi med bozone (kot je "delec" svetlobe foton) bodisi med fermione (kot je elektron).

"Pri zamenjavi anyonov oziroma 'peljanju enega delca okoli drugega' se stanje para delcev temeljito spremeni, kar sicer ne velja niti za bozone niti za fermione. Lahko bi rekli, da se med njima splete vozel, ki pa je v topološkem smislu zelo stabilna tvorba," je poudaril Klanjšek. Če najdemo takšna stanja, kot so vozli, je to "nekaj spektakularnega".

Zaradi te svoje stabilnosti so anyoni pomembni za razvoj kvantnega računalništva. Vozel namreč lahko uporabimo kot bit informacije. Takšen bit bo obstojen in s časom ne bo razpadel. Glavna težava kvantnega računalništva je namreč ravno neobstojnost kvantnih stanj pri končnih temperaturah in pri slabi izolaciji kvantnega sistema od okolice.

"Na plano so že prišle informacije, da podjetje Microsoft razvija kvantni računalnik ravno na podlagi anyonov. Druga večja podjetja, recimo Google in IBM, pa za razvoj kvantnih računalnikov uporabljajo drugačne platforme, ki pa niso povsem kvantne po svoji naravi," je povedal Klanjšek.

Nove raziskave znanstvenikov IJS obetajo pomembne rezultate

Zaenkrat obstajata le dve potencialni realizaciji anyonov, za nobeno od njiju pa znanstveniki še niso prepričani, da zares realizirata anyone. Tudi to področje bo v kratkem najverjetneje zaznamoval dosežek znanstvenikov IJS, katerih zadnji eksperimenti nakazujejo, da so potrdili obstoj magnetnih anyonov v materialu RuCl3 (rutenijev triklorid), je razkril Klanjšek.

Gre za material, ki ga že desetletja uporabljajo kot izhodiščno spojino za ogromno kemije, temelječe na elementu rutenij. O njegovih fizikalnih, še zlasti magnetnih lastnostih pa je bilo do pred nekaj leti zelo malo znanega.

Pred nekaj leti so se znanstveniki zavedli, da ima ta material vse potrebne lastnosti, da bi lahko realiziral fantastičen predlog fizika Alexeia Kitaeva iz leta 2006 o pojavu magnetnih anyonov. Trenutno ta material preučuje zelo veliko eksperimentalnih skupin po svetu, kot omenjeno, tudi znanstveniki z IJS. Članek o njihovem dosežku je trenutno v recenziji.

Pomembno je združevanje raziskovanja in poučevanja

Klanjšek poleg raziskovalnega dela na IJS opravlja tudi pedagoško delo na FMF. Pomembna se mu namreč zdi kombinacija obojega. Raziskovanje je dolgotrajen proces, zato zadoščenje navadno pride šele, ko prideš do odkritja in objaviš pomembno stvar. Poučevanje pa ima obratno logiko: če ti predavanje uspe, to vidiš na obrazih študentov in po dveh urah dela zadovoljen odkorakaš iz predavalnice.

Do predstavljanja in dojemanja znanstvene sfere in znanstvenikov v javnosti je Klanjšek kritičen. Opaža namreč, da javnost znanost pogosto dojema kot odžiralca javnega denarja, ne ve pa, da je za pridobivanje financiranja za raziskave potrebnega ogromno napora. Prijavljanje na razpise za financiranje raziskovalnih projektov namreč znanstvenikom vzame vse več časa, po nekaterih podatkih naj bi kar tretjino časa porabili za administrativna opravila.

Kot je še poudaril, je raziskovanje dolgotrajen proces, v katerem lahko dolge mesece sedijo v laboratoriju, tuhtajo in delajo eksperimente, a se jim nič ne posreči. Vendar to ni stran vržen čas, to je čas, v katerem se dogajajo majhni premiki, ki jih ni mogoče ovrednotiti in ki bodo na koncu lahko vodili do pomembnega odkritja.

"Čar raziskovanega dela je namreč ravno v tem, da ne veš, kaj boš odkril. Odkriješ nove stvari, ki jih nisi mogel predvideti ali pa si jih zamisliti, zato je rezultat tega dela tudi nekaj vreden. Znanost je nasploh ena izmed redkih dejavnosti, ki ponuja tovrstno možnost priti do nečesa novega."

O dr. Martinu Klanjšku

Martin Klanjšek je leta 2004 opravil doktorat iz fizike, za katerega je prejel nagrado Futurum za odmevno doktorsko delo ter zlati znak Jožefa Stefana. Leta 2007 je odšel na podoktorsko izpopolnjevanje v Grenoble High Magnetic Field Laboratory v Franciji, med leti 2008 in 2011 pa je bil gostujoči raziskovalec na Univerzi Joseph Fourier v Grenoblu. Z Odsekom za fiziko trdne snovi Instituta Jožef Stefan sodeluje že od leta 1999, znanstveni sodelavec inštituta pa je postal leta 2008. Od leta 2000 dela tudi kot asistent za fiziko na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani.