Fasediagram en spectroscopische signaturen van een supersist in de kwantum-Ising-magneet K2Co(SeO3)2

De vreemde wereld van vaste stoffen die stromen

Stel je een materiaal voor dat tegelijk een stijf kristal en een wrijvingloze vloeistof is. Deze schijnbaar tegenstrijdige toestand, een „supersist”, boeit natuurkundigen al decennia maar is in echte materialen moeilijk vast te stellen. In dit werk laten onderzoekers zien dat een kobalthoudende magneet, K2Co(SeO3)2, zich precies op zo’n exotische manier gedraagt. Door nauwkeurig in kaart te brengen hoe de spin—de kleine atomaire magneetjes—ordenen en fluctueren bij extreem lage temperaturen en sterke magnetische velden, onthullen ze niet één maar twee verschillende supersistfases, en openen ze een nieuw experimenteel toegankelijk venster op enkele van de vreemdste vormen van kwantummaterie.

Een vlak magnetisch speelveld

De sleutel tot deze ontdekking is geometrie en frustratie. In K2Co(SeO3)2 zitten de magnetische kobaltionen op vlakke, driehoekige lagen. Op zo’n rooster willen naburige spinnen zich tegengesteld oriënteren, maar drie spins op een driehoek kunnen die regel niet alle drie tegelijk vervullen. Deze „frustratie” leidt tot een groot aantal bijna energetisch equivalente ordeningen, als een door elkaar gehusselde stapel kaarten waarbij veel patronen bijna evenveel energie kosten. Bij nul magnetisch veld en lage temperatuur tonen neutronenverstrooiingsexperimenten dat de spinnen een herhalend patroon kiezen met een grotere, driedelige eenheidscel, waarmee de regelmatige symmetrie van het kristal wordt verbroken. Tegelijkertijd bevriezen de spinnen niet volledig: de grootte van het geordende moment is sterk gereduceerd, wat wijst op intense kwantumbewegingen die het systeem tussen orde en wanorde houden.

Wanneer orde en stroming samen bestaan

Om te achterhalen of deze rusteloze toestand een supersist is, bestudeerde het team hoe de spinnen bewegen, niet alleen hoe ze gerangschikt zijn. Met zeer gevoelige neutronenspectroscopie vonden ze dat het systeem brede banden van magnetische excitatie ondersteunt in plaats van de scherpe golven die men in een eenvoudige magneet zou verwachten. Bij een speciaal golfvector bepaald door het driehoekige patroon observeerden ze twee cruciale ingrediënten tegelijk: een modus waarvan de energie helemaal naar nul gaat en een andere met een klein maar eindig energiegat. In de taal van symmetrieën duiden deze kenmerken erop dat het systeem zowel een continue spinrotatiesymmetrie breekt (vergelijkbaar met een supervloeistof die zonder weerstand kan stromen) als een discrete translatiesymmetrie (vergelijkbaar met een kristal met een herhalend dichtheidspatroon). Samen zijn dit de tweevoudige kenmerken van een supersist in deze magnetische context.

Een kwantumfasediagram in magnetisch veld

Het aanleggen van een magnetisch veld langs de gemakkelijke as van de spinnen stelt de onderzoekers in staat de balans tussen concurrerende ordeningen te regelen. Metingen van de warmtecapaciteit en magnetisatie over een breed bereik van temperaturen en velden onthullen een gedetailleerd fasediagram. Bij matige velden nemen de spinnen een „omhoog–omhoog–omlaag”-patroon aan op elke driehoek, wat leidt tot een robuuste plateau waarbij de magnetisatie vastloopt op eenderde van de maximale waarde. Deze faseovergang gedraagt zich zoals voorspeld voor het bekende tweedimensionale Potts-model, wat bevestigt dat de onderliggende wisselwerkingen extreem dicht bij een ideaal theoretisch geval liggen. Bij lagere velden laten de gegevens zien dat het systeem soepel overgaat naar de laagveld-supersistregime, waar lange maar niet oneindige correlatielengten effectief de drie-subrooster-symmetrie breken zelfs bij nul veld.

Een tweede supersist nabij volledige polarisatie

De verrassingen houden niet op bij hoge velden. Naarmate de magnetisatie de verzadiging nadert, onthullen gedetailleerde metingen van magnetisatie en entropie een aanvullende fase ingeklemd tussen het één-derde-plateau en de volledig gealigneerde toestand. Theorie voor hetzelfde driehoekrooster-model voorspelt dat het systeem in dit veldvenster opnieuw een supersist huisvest: de spinnen zijn bijna allemaal uitgelijnd, maar een klein deel kan nog steeds coherente bewegingen uitvoeren, wat resulteert in een gemengde toestand met zowel een stijf patroon als kwantumstroming. Het experiment komt overeen met deze voorspellingen, inclusief de scherpe, eersteorde-achtige sprong die men verwacht bij het betreden van dit hoogveld-supersist. Door het spin-golfspectrum in de plateaufase te analyseren, bepaalt het team ook de sterkte van de wisselwerkingen en toont aan dat alleen de dichtstbijzijnde buren significant zijn, waardoor K2Co(SeO3)2 een uitzonderlijk zuivere realisatie van het ideale model vormt.

Waarom dit belangrijk is voor kwantummaterialen

Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat K2Co(SeO3)2 fungeert als een laboratorium voor materie die schijnbaar tegengesteld gedrag vertoont: tegelijk vast en supervloeibaar. In deze magneet vormen de posities van de spinnen een herhalend patroon zoals atomen in een kristal, terwijl hun kwantumbewegingen gedelocaliseerd en coherent blijven, zoals in een vloeistof. Die combinatie produceert supersistfases die niet louter theoretische curiositeiten zijn maar nu in detail zijn uitgekaart en onderzocht met krachtige spectroscopische middelen. Omdat de relevante energieschalen veel hoger liggen dan bij eerdere kandidaten, maakt dit materiaal precieze metingen en scherpe toetsingen van theorie mogelijk, en vormt het een referentiesysteem om te begrijpen hoe kwantumfluctuaties geheel nieuwe toestanden van materie kunnen vormen.

Bronvermelding: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Trefwoorden: supersist, gefrustreerde magnetisme, driehoekig rooster, kwantum spinsysteem, neutronenverstrooiing