Fizycy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z naukowcami z University of British Columbia, dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie fizyki kwantowej. Zespół badawczy opisał mechanizm powstawania tzw. „samotnych spinonów” – egzotycznych wzbudzeń kwantowych będących pojedynczymi, niesparowanymi spinami. Wyniki tych zaawansowanych analiz teoretycznych zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters.

Choć magnetyzm znany jest ludzkości od tysiącleci, jego głęboka natura długo pozostawała zagadką. Dopiero rozwój mechaniki kwantowej w XX wieku ujawnił, że źródłem zjawisk magnetycznych są oddziaływania między spinami – podstawowymi właściwościami cząstek, obok masy i ładunku. Już w latach 30. XX wieku Hans Bethe zaproponował matematyczny model opisujący takie układy – jednowymiarowy model Heisenberga. Z kolei w 1981 roku Faddeev i Takhtajan przewidzieli istnienie „spinonów” – wzbudzeń, które niosą spin o wartości 1/2, ale zawsze pojawiały się one parami.

Tymczasem najnowsze badania polsko-kanadyjskiego zespołu pokazują, że spinon może występować także samodzielnie. Wystarczy do układu dodać pojedynczy spin lub zastosować uporządkowany model tzw. valence-bond solid (VBS), w którym spiny łączą się parami. W takim modelu samotny spinon może poruszać się przez sieć sparowanych spinów, niczym samotny elektron pośród uporządkowanej struktury.

Co ważne, to teoretyczne przewidywanie znalazło potwierdzenie w najnowszych badaniach doświadczalnych, opublikowanych na łamach Nature Materials. Oznacza to, że „samotne” spinony nie są już wyłącznie konstruktem matematycznym, ale rzeczywistym zjawiskiem fizycznym, które można obserwować.

Projekt został zrealizowany dzięki wsparciu Narodowego Centrum Nauki, Inicjatywy Doskonałości Uniwersytetu Warszawskiego oraz partnerów kanadyjskich i amerykańskich, w tym Canada First Research Excellence Fund oraz Kavli Institute for Theoretical Physics.