Fasdiagram och spektroskopiska signaturer av en supersolid i den kvantiska Ising-magneten K2Co(SeO3)2

Den märkliga världen av fasta ämnen som flyter

Föreställ dig ett material som samtidigt är en styv kristall och en friktionsfri vätska. Detta paradoxala tillstånd, kallat en ”supersolid”, har fascinerat fysiker i årtionden men varit svårt att fastställa i verkliga material. I det här arbetet visar forskare att en koboltbaserad magnet, K2Co(SeO3)2, uppträder på just detta exotiska sätt. Genom att noggrant kartlägga hur dess spinn — små atomära magneter — ordnar sig och fluktuerar vid extrem kyla och starka magnetfält avslöjar de inte en utan två distinkta supersolidfaser, vilket öppnar ett nytt, experimentellt tillgängligt fönster in i några av kvantmateriens märkligaste former.

En platt magnetisk lekplats

Nyckeln till upptäckten är geometri och frustration. I K2Co(SeO3)2 sitter de magnetiska koboltjonerna på platta, triangulära lager. På ett sådant gitter vill intilliggande spinn peka i motsatta riktningar, men tre spinn på en triangel kan inte alla uppfylla den regeln samtidigt. Denna ”frustration” leder till ett stort antal närapå ekvivalenta ordningar, som en stökig kortlek där många mönster kostar nästan samma energi. Vid noll magnetfält och låg temperatur visar neutronspridning att spinnen väljer ett återkommande mönster med en större, tresite-enhetlig cell och bryter den ordinarie kristallinrymden. Samtidigt fryser inte spinnen helt: storleken på det ordnade momentet är kraftigt reducerat, vilket indikerar intensiva kvantiska rörelser som håller systemet svävande mellan ordning och oordning.

När ordning och flöde samexisterar

För att avgöra om detta rastlösa tillstånd är en supersolid undersökte teamet hur spinnen rör sig, inte bara hur de är ordnade. Med mycket känslig neutron­spektroskopi fann de att systemet stöder breda band av magnetiska excitationer snarare än de skarpa vågor som förväntas i en enkel magnet. Vid en speciell vågvektor bestämd av det triangulära mönstret observerade de två viktiga ingredienser samtidigt: ett läge vars energi går hela vägen till noll och ett annat med ett litet men ändligt gap. I symmetribegrepp signalerar dessa funktioner att systemet både bryter en kontinuerlig spin-rotationssymmetri (motsvarande en superfluid som kan flöda utan friktion) och en diskret translationssymmetri (motsvarande en kristall med ett upprepat täthetsmönster). Tillsammans är detta de dubbla kännetecknen för en supersolid i denna magnetiska miljö.

En kvantfas­karta i magnetfält

Genom att tillämpa ett magnetfält längs spinnenas lättaxel kan forskarna justera balansen mellan konkurrerande ordningar. Mätningar av värmekapacitet och magnetisering över ett brett intervall av temperaturer och fält visar ett detaljerat fasdiagram. Vid måttliga fält slår spinnen sig ner i ett ”upp–upp–ner”-mönster på varje triangel, vilket ger en robust platå där magnetiseringen låser sig vid en tredjedel av sitt maximala värde. Denna fasövergång beter sig som förutsagt för en välkänd tvådimensionell Potts-modell, vilket bekräftar att de underliggande växelverkanarna ligger mycket nära ett idealt teoretiskt fall. Vid lägre fält visar uppgifterna att systemet glider smidigt in i låg-fältssupersolidregimen, där långa men inte oändliga korrelationslängder effektivt bryter tresubbetsymmetrin även i nollfält.

En andra supersolid nära full polarisation

Överraskningarna tar inte slut vid höga fält. När magnetiseringen närmar sig mättnad avslöjar detaljerade magnetiserings- och entropimätningar en ytterligare fas inbäddad mellan en-tredjedels-platån och det fullt anpassade tillståndet. Teori för samma triangulära gittermodell förutsäger att systemet i detta fönster återigen hyser en supersolid: spinnen är nästan helt riktade, men en liten andel kan fortfarande röra sig koherent, vilket ger upphov till ett blandat tillstånd med både ett styvt mönster och kvantflöde. Experimentet stämmer överens med dessa förutsägelser, inklusive det skarpa, första-ordning-skrivna hopp som förväntas vid inträdet i denna högfälts-supersolid. Genom att analysera spinnvågsspektrumet i platåfasen bestämmer teamet även växelverkansstyrkorna och visar att endast närmaste grannar spelar en betydande roll, vilket gör K2Co(SeO3)2 till en ovanligt ren realisering av den idealiserade modellen.

Varför detta är viktigt för kvantmaterial

För en icke-specialist är huvudbudskapet att K2Co(SeO3)2 fungerar som ett laboratorium för materia som beter sig på till synes motsägelsefulla sätt: solid och superfluid samtidigt. I denna magnet bildar spinspostitionerna ett återkommande mönster likt atomer i en kristall, medan deras kvantiska rörelse förblir delokaliserad och koherent, som i en vätska. Kombinationen ger upphov till supersolidfaser som inte bara är teoretiska kuriositeter utan nu är kartlagda i detalj och undersökta med kraftfulla spektroskopiska verktyg. Eftersom de relevanta energiskalorna är mycket högre än i tidigare kandidater, möjliggör detta material precisa mätningar och skarpa tester av teori, vilket gör det till ett referenssystem för att förstå hur kvantfluktuationer kan forma helt nya tillstånd av materia.

Citering: 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

Nyckelord: supersolid, frustrerad magnetism, triangulärt gitter, kvantspinnsystem, neutronspridning