Herbertsmithyt (a może herbertsmifit? 😉 ) jest chlorkowym minerałem miedzi o wzorze Cu₃Zn(OH)₆Cl₂. Obecność miedzi i chloru nadaje mu piękną zieloną barwę. Często współwystępuje z innymi minerałami miedzi, np. na przedostatnim zdjęciu m.in. z linarytem, malachitem i chryzokolą. Chciałbym też pokazać absolutnie unikatowy egzemplarz pochodzący z Polski, z kopalni Rudna koło Polkowic na Dolnym Śląsku (ostatnie zdjęcie, kolekcja Joanny Praszkier). Są to w zasadzie kryształy gipsu z intruzjami herbertsmithytu, co widać dokładnie na powiększeniu (ale w tym celu należy się udać na stronę mindat.org).
Nietypowa nazwa minerału (tak, to seria „minerały o dziwnych nazwach”, ale nie powiedziałem jeszcze w tej kwestii ostatniego słowa w tym roku) pochodzi od George’a Fredericka Herberta Smitha, brytyjskiego mineraloga i kustosza w londyńskim Muzeum Historii Naturalnej, odkrywcy paratakamitu. Jeśli ktoś się zastanawia, dlaczego nie nazwano tego minerału od samego nazwiska, to powinien się dowiedzieć, że na cześć tego pana nazwano już wcześniej minerał smithyt. Póki co nie ma minerałów o nazwach fredericksmithyt ani georgesmithyt (ale jest georgeit, który mam chętkę nazwać dżordżeitem, a może żorżeitem na wzór Bosman Żorż z Bułhakowa).
Dobra, dosyć szaleństw, wracamy do naszego minerału. Herbertsmithyt ma twardość 3-3,5, a gęstość ok. 3,9 g/cm³. Należy do grupy atakamitu (minerału o bardzo podobnym składzie, tylko niezawierającym cynku) i jest metamorfem kapellazytu (na który przyjdzie kiedyś kolej, bo ma ładne niebieskie zabarwienie).
Jest to bardzo rzadki minerał, MinDat podaje około 25 lokalizacji, głównie różne miejsca w północnym Chile oraz w Iranie. Po raz pierwszy znaleziono go właśnie w Chile, w 1972 roku.
Herbertsmithyt jest też szczególny z innego powodu. Syntetyczna postać tego minerału wykazuje unikatowe właściwości magnetyczne, co odkryto w 2012 roku – jest kwantową cieczą spinową (ang. Quantum Spin Liquid, QSL). Aby wyjaśnić, o co tu chodzi, trzeba powiedzieć co nieco o mikroskopowych podstawach magnetyzmu.
Zacznijmy od tego, że cząstki subatomowe, takie jak elektrony i kwarki, a także protony i neutrony, wykazują pewną szczególną właściwość, którą nazwano spinem. Można by powiedzieć, że jest to konsekwencja obrotu cząstki wokół osi, tyle tylko, że nie jesteśmy w tej chwili w stanie stwierdzić, czy elektrony i kwarki się rzeczywiście obracają, bo nie mają widocznej dla nas struktury wewnętrznej. Zupełnie jakbyśmy patrzyli z daleka na litą kulę o dokładnie wypolerowanej, jednolitej powierzchni – nie jesteśmy w stanie powiedzieć, czy ona się obraca, czy nie. Nie jest tu jednak takie ważne, czym właściwie jest spin – ważne jest to, że dzięki posiadaniu różnej od zera wartości spinu każdy elektron zachowuje się jak maleńki magnesik.
Spin jest wielkością wektorową, co oznacza, że – jak może pamiętamy ze szkoły – ma kierunek i zwrot. Konkretnie może być zwrócony w jedną z dwóch stron (gdyby ciągnąć metaforę o wirowaniu, odpowiadałoby to obrotowi w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i w przeciwnym). Dlatego gdy na lekcjach chemii rysowaliśmy konfiguracje elektronowe atomów, np. w postaci kratkowej, to elektrony wyobrażaliśmy w postaci strzałek zwróconych w górę albo w dół. Elektrony w atomach i cząsteczkach mogą być sparowane, i wtedy ich spiny się znoszą, bo są zwrócone w przeciwnych kierunkach – tak jak znosi się wysiłek dwóch psów ciągnących w przeciwnych kierunkach z tą samą siłą tę samą kość. Ale (znacznie rzadziej) zdarzają się też elektrony niesparowane w danej cząsteczce albo atomie.
Kryształ substancji jest zbudowany oczywiście z ogromnej liczby atomów (lub cząsteczek). Jeśli elektrony niesparowane wszystkich atomów będą miały wektory spinu zwrócone w tę samą stronę, to substancja będzie wykazywać właściwości magnetyczne, czyli będzie przyciągane przez magnes – będzie ferromagnetykiem. Ta nazwa wzięła się stąd, że najpierw zbadano właściwości magnetyczne żelaza (łac. ferrum). Bo rzeczywiście żelazo i jego związki (np. magnetyt albo hematyt) są przyciągane przez magnes, a nawet mogą same działać jak magnesy, gdyż się namagnesowały od wielkiego magnesu, na którym żyjemy, czyli od Ziemi. O tym, skąd się bierze ziemskie pole magnetyczne, pisałem już w ciekawostkach astronomicznych.
Ale nie jest powiedziane, że wszystkie elektronowe magnesiki będą ustawione jednakowo. O wiele bardziej prawdopodobne jest, że będą ustawione w sposób nieuporządkowany (przyroda lubi bałagan, ciotka entropia to jego wielka przyjaciółka). A ponieważ jest ich w krysztale substancji niewyobrażalnie dużo, ich nieuporządkowane ustawienie sprawia, że każdy spin jednostkowy znajdzie sobie jakiś odpowiednik ustawiony wzdłuż tego samego kierunku, ale zwrócony w przeciwną stronę. Czyli każdy spin jednostkowy będzie mieć odpowiednik, który go równoważy. Taka substancja nie wykazuje właściwości magnetycznych, nie jest przyciągana przez magnes – jest antyferromagnetykiem.
Ferromagnetyzm i antyferromagnetyzm są dwoma rodzajami właściwości magnetycznych, które mają stan ustalony w określonych warunkach. Jeśli będziemy podgrzewać żelazo, w pewnej temperaturze jego uporządkowanie spinów zostanie zniszczone (nazywa się ona temperaturą Curie, ponieważ zjawisko to odkrył Piotr Curie, mąż MSC). Dlatego nie można „łapać na magnes” stopionego żelaza. Ale magnetyczne uporządkowanie można również wywołać w substancjach, które go nie wykazują. Może to nastąpić pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego – albo elektrycznego, stąd elektromagnesy.
Teoria kwantowa przewidywała też istnienie stanu nieustalonego, samorzutnie zmieniającego się między ferromagnetyzmem a antyferromagnetyzmem, czy też może dokładniej – pośredniego między nimi. Nazywano go stanem (kwantowej) cieczy spinowej i nawet przypuszczano, że powinien go wykazywać herbertsmithyt, tyle że nie udało się wcześniej tego potwierdzić. Niezbędny był do tego odpowiednio duży monokryształ tego związku, o co jednak nie było łatwo. Dopiero w 2012 roku udało się wyhodować kryształ długości 7 milimetrów, co trwało 10 miesięcy. I po zbadaniu tego kryształu wykryto, iż rzeczywiście występują w nim ułamkowe stany kwantowe, czyli że spiny elementarne się w nim czasem znoszą, a czasem nie. To znaczy, że tworzą chwilowo trwałe stany uporządkowane, w przeciwieństwie do całkowicie nieuporządkowanego antyferromagnetyku.
Z teoretycznego punktu widzenia zjawisko to może mieć sporo zastosowań, trudno jednak przewidzieć, jakie. Niektórzy uczeni mówią np. o nowych magnesach nadprzewodzących, co wiąże się ze świętym Graalem fizyki, czyli nadprzewodnictwem w temperaturze pokojowej (zapewne równie nieosiągalnym, jak ów mityczny święty Graal).
Zwykle na koniec notki o minerałach umieszczam banialuki ze stron kamiennomagicznych. Jednak wydaje mi się, że dziś nam wystarczy wycieczka w krainę kwantów, bo dla niektórych czytelników informacje o spinach i magnetykach mogą być równie niezrozumiałe jak teksty o czakrach i trzecich oczach 😉
[zdjęcia za pośrednictwem strony mindat.org, autorzy: Luigi Chiappino, Molina, Steve Rust × 2, Tony Peterson, Elmar Lackner, Enrico Bonacina, Spiriferminerals.com] [Informacje o QSL: https://geekweek.interia.pl/geekweek/news-odkryto-nowy-rodzaj-magnetyzmu,nId,5523181]
