Fizičari Ivan Jakovac i Mihael Grbić s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu predvodili su međunarodni tim istraživača iz Njemačke, Francuske i Japana koji je prvi put eksperimentalno potvrdio teorijska predviđanja o neobičnim kvantnim fazama, postavljena prije više od 20 godina, objavio je PMF. Rezultati istraživanja objavljeni su u prestižnom časopisu Physical Review Letters (PRL), a rad je posebno istaknut, objavljen je na naslovnici 13. izdanja časopisa, a dodijeljena mu je i preporuka urednika. Znanstvenici su proučavali izolatorski spoj sastavljen od lanaca vrlo malenih magneta, tzv. Haldanove lance, nazvane po Duncanu Haldaneu koji ih je prvi teorijski predvidio 1983. godine. Kada se lanac izloži snažnom magnetskom polju i vrlo niskim temperaturama, njegova se svojstva mijenjaju i nastupa tzv. kvantna kritičnost. Lanci se, pojašnjavaju, počinju ponašati kao jednodimenzionalni vodiči u kojima se magnetske kvazičestice gibaju bez otpora. Pri daljnjem hlađenju sustav prelazi u još neobičnije stanje – Bose-Einsteinov kondenzat, peto agregatno stanje. Riječ je o razrijeđenom plinu bozona ohlađenom na temperaturu blisku apsolutnoj nuli, pri kojoj bozoni zauzimaju najniže kvantno stanje i ponašaju se kao jedinstvena kvantna cjelina.
– Ono što smo desetljećima imali samo kao teorijsko predviđanje sada smo uspjeli izravno eksperimentalno potvrditi. Materijal se pri promjeni temperature i magnetskog polja ponaša upravo onako kako je teorija predvidjela – rekao je Ivan Jakovac, fizičar sa zagrebačkog PMF-a. Znanstvenici su se ovim fenomenom bavili desetljećima. Teorijska predviđanja o pojavi magnetskog Bose-Einsteinova kondenzata u ovakvim sustavima postavljena su još 1990. godine, dok su svojstva drugog važnog kvantnog stanja, poznatog kao Tomonaga-Luttingerova tekućina, predviđena početkom 2000-ih. Tomonaga-Luttingerovu tekućinu prvi je predložio Sin-Itiro Tomonaga 1950., pokazavši da, uz određena ograničenja, međudjelovanja drugog reda između elektrona mogu prikazati kao bozonska međudjelovanja. Trinaest godina poslije J. M. Luttinger preformulirao je teoriju uz pomoć Blochovih zvučnih valova i pokazao da ograničenja koja je predložio Tomonaga nisu nužna kako bi se perturbacije drugog reda tretirale kao bozoni. No, pokazalo se da je njegovo rješenje modela bilo pogrešno, a novo su ponudili Daniel C. Mattis i Elliot H. Lieb 1965. godine.
Unatoč brojnim pokušajima, eksperimentalna potvrda bila je iznimno zahtjevna. U međuvremenu je sintetizirano više od 20 sličnih materijala, ali nijedan nije imao sva svojstva potrebna za pouzdano opažanje predviđenih stanja. – Uz pomoć kvantne fizike možemo različitim izračunima predvidjeti mnoga stanja tvari, ali pravi test tih predviđanja nastupa kad variramo neki od parametara i pratimo kako taj izračun evoluira, te je li to u skladu s eksperimentom. U našem smo slučaju magnetsko polje varirali u širokom rasponu od 0 do 34 T i pokazali da se u cijelom području sustav ponaša u skladu sa zakonima kvantne fizike – objasnio je Mihael Grbić s PMF-a. Prekretnicu je donio novi spoj nazvan BoNO, koji je potpuno organski i ne sadrži metale. Taj spoj m-NO2PhBNO u fizici se koristi kao idealan eksperimentalni model za proučavanje S = 1 Haldaneovih lanaca. Materijal je sintetizirala profesorica Yuko Hosokoshi s Osaka Metroplitan University u Japanu. Kako bi utvrdili što se događa unutar materijala, istraživači su koristili nuklearnu magnetsku rezonanciju. – Dokazali smo kako se u spoju uistinu uspostavljaju Tomonaga-Luttingerova tekućina i Bose-Einsteinov kondenzat stanja tvari i prvi put mapirali te dvije faze – istaknuo je Grbić. Dio mjerenja proveden je u Zagrebu, a ostali eksperimenti provedeni u istraživačkim centrima u Grenobleu u Francuskoj i Dresdenu u Njemačkoj. Kako pojašnjavaju, istraživanje pripada području jako koreliranih sustava, u kojima relativno male promjene temperature, magnetskog polja ili drugih vanjskih uvjeta mogu dovesti do velikih promjena svojstava materijala.
Takvi su materijali jedno od najintenzivnije istraživanih područja suvremene fizike jer omogućuju proučavanje fenomena koji nemaju jednostavan ekvivalent u svakodnevnom svijetu. Potvrda ovih teorijskih predviđanja omogućuje da se fizika dalje gradi na tim "čvrstim temeljima". – Novo istraživanje pokazuje da organski magnetski materijali poput BoNO-a ostvaruju dodatni put za realiziranje koherentnih stanja, kakvi se danas podosta istražuju zbog potreba kvantnog računanja. Dakle, organski sustavi mogu biti posebno pogodni za proučavanje suvremenih fenomena, što omogućuje istraživanje novih kvantnih stanja materije – napominju.