Laser-eksperiment ved Oak Ridge bryter fysikkens lover

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) traff et magnetisk materiale med raske laserpulser og observerte det med nøytroner. Materialet brøt en grunnleggende fysikklov kjent som detaljert balanse, og det forble i denne tilstanden i stedet for raskt å gå tilbake til likevekt, kunngjorde laboratoriet 9. november. Forskerne sier at det langvarige signalet kan bidra til kvanteteknologier som bruker magnetiske eksitasjoner til å bære og lagre informasjon.ornl.gov

Resultatene ble publisert i Nature Communications. En oppføring i ORNLs publikasjonsdatabase viser at artikkelen ble publisert i april 2026, med Chengyun Hua, Barry Winn, Colin Sarkis, Gabriele Sala, Takeshi Egami og Alan Tennant som forfattere.ornl.gov

Et skjevt signal som varte

Teamet studerte magnoner. Dette er kvasipartikler, bølgeaktige krusninger i et materiales magnetiske orden som kan bære informasjon, ifølge ORNLs kunngjøring. Når et system er i ro, knytter detaljert balanse energigivende og energitapende hendelser sammen på en forutsigbar måte. Under laserpulsene sviktet denne koblingen, og nøytrondataene viste ekstra signaler på bare den ene siden.newswise.com

De overflødige magnonene forsvant ikke. Det utelukket enkel oppvarming og pekte mot en "langvarig ikke-likevektstilstand opprettholdt av periodiske laserpulser," opplyser laboratoriet. Artikkelens sammendrag sier at materialet var en todimensjonal Heisenberg-antiferromagnet med kvadratisk gitter. Det argumenteres også for at bruddet reflekterer den kvantemekaniske naturen til systemets dynamikk, ifølge ORNLs publikasjonssammendrag.ornl.gov+1

"Ingen har tidligere direkte undersøkt et brudd på detaljert balanse i et kondenserte fasers system," sa Hua i ORNL-pressemeldingen. "Teoretisk gir det mening at det kan skje, men eksperimentelt var det ganske fantastisk å se."newswise.com

Bygging av en pump-probe-strålelinje

Nøytronspredning ser vanligvis på materialer i likevekt. Teamet måtte tilpasse ORNLs Spallation Neutron Source til å fungere mens en prøve ble aktivt påvirket. En tidligere teknisk artikkel av gruppen beskriver oppsettet på HYSPEC-spektrometeret. Den bruker en nanosekund-pulsert laser synkronisert med nøytronpulsene, sammen med Rb2MnF4, en kvantemagnet der magnoner nær sonesenteret i teorien kan vare i opptil millisekunder.ar5iv.labs.arxiv.org

"Fordi vi tok en ny tilnærming, måtte mekanikere, sikkerhetspersonell, maskinvare- og programvareingeniører og forskerteamet alle tenke nytt for å få dette prosjektet til å fungere," sa Hua, ifølge laboratoriet. Arbeidet startet med et ORNL-startstipend. Energidepartementets Office of Science og Quantum Science Center støttet det senere arbeidet.ornl.gov

Hva skjer videre

ORNL sier at systemet gir forskere en måte å studere annen ikke-likevekts kvantefysikk i sanntid. Det arbeidet kan informere forskning på koherent transport, minneenheter og elektronikk med lavt tap, opplyser laboratoriet. Forfatterne skriver at deres in operando-teknikk kan utvides til endimensjonale spinnkjeder og topologiske spinnsystemer, "hvor ikke-likevektseffekter er utbredte og rike på oppdagelsespotensial," ifølge artikkelens sammendrag.ornl.gov+1