Novo stanje snovi: opazovanje kvantne spinske tekočine

IZ VZROKA V RAVNOVESJE (Junij 2019).

Anonim

Novo in redko stanje snovi, znano kot kvantna spinova tekočina, je empirično dokazano v monokristalu sestavljenega kalcijevega kromovega oksida s strani ekipe na HZB. V skladu s konvencionalnim razumevanjem v tej snovi ne bi smela biti možna kvantna ožemalna tekočina. Zdaj je bila razvita tudi teoretična razlaga teh opazovanj. Rezultati so pravkar objavljeni v Nature Physics.

Glede na naše vsakodnevne izkušnje pričakujemo, da bo temperatura pri nizkih temperaturah zamrznjena z atomi, določenimi v rednem dogovoru. Magnetni momenti, ki izhajajo iz spinov elektronov na atomih v magnetnih materialih, se tudi spočijejo in postanejo togo usmerjeni, ko temperatura pada. Vendar pa obstajajo redki izjeme. V tistem, kar imenujemo kvantne tekočine za centrifugiranje, usmeritve elektronskih vrtljajev ne ostanejo fiksne tudi pri temperaturah v bližini absolutne ničle. V skladu s konvencionalnim razumevanjem, če so interakcije izotropne (kjer so možne vse smeri spina), lahko ta pojav nastane, če so spinovi razporejeni v trikotne geometrije in medsebojni vplivi med njimi so antiferromagnetni, ki favorizirajo antiparallelno poravnavo vretenc. Za tri atome, ki tvorijo vogale trikotnika, elektronski spin enega atoma ne more biti istočasno orientiran antiparallelno s tistimi na obeh drugih atomih. V realnih materialih, ki vsebujejo trikotne enote, povezane s antiferromagnetnimi interakcijami, lahko ta "frustracija" preprečuje, da bi spine prišle v počitek v določeni orientaciji tudi pri absolutni ničelni temperaturi, namesto da se premikajo skupaj kot atomi v tekočini. Nasprotno pa feromagnetna interakcija ne povzroča frustracije v izotropnih magnetih, ker se lahko vedno pojavita medsebojno vzporedno poravnavo vrtljajev. Iz teh razlogov je bilo predlaganih le nekaj izotropnih materialov kot kandidatov za centrifugiranje.

Monokristali s kompleksnimi magnetnimi interakcijami

Zdaj je ekipa, ki jo je vodil prof. Bella Lake, izdelala in raziskala prve monokristale kalcijevega kromovega oksida (Ca10Cr7O28). Kalcijev kromov oksid je sestavljen iz tistih, ki se imenujejo Kagomé rešetke - spominja na vzorec trikotnikov in šesterokotnikov, tkanih v japonski košari. Posledično se v tem materialu razvije kompleksen izotropni magnetni interakciji, ki sestoji ne le iz antiferromagnetnih interakcij, temveč tudi iz močnejših feromagnetnih interakcij, ki bi po običajnem razumevanju preprečevale obstojnost obnašanja spinskih tekočin. Poskusi magnetnega in nevtronskega raztresanja, izvedeni v Nemčiji, Franciji, Angliji in ZDA, pa tudi munske spektroskopske eksperimente, izvedene v Švici, so pokazali, da vreteni v teh vzorcih ohranjajo svoje kolektivno gibanje tudi pri temperaturah, ki presegajo 20 milikelvin in se obnašajo kvantna ožemalna tekočina.

Konkurenca je ključna

Teoretični fizik prof. Johannes Reuther iz HZB je s pomočjo teh eksperimentalnih namigov razširil teoretični model spinskih tekočin. Uporabil je numerične simulacije, ki kažejo, kako se različne magnetne interakcije v kalcijevem kromovem oksidu tekmujejo med seboj in ohranjajo dinamične dinamike.

Pričakuje se več kandidatov za tekoče tekočine

"Empirično smo dokazali, da se zanimiva kvantna stanja, kot so spinske tekočine, lahko pojavijo tudi v precej bolj kompleksnih kristalih z različnimi konstelacijami magnetnih interakcij", pravi dr. Christian Balz, vodilni avtor dela. Jezero prav tako pojasnjuje: "Delo razširja naše razumevanje magnetnih materialov in kaže tudi, da obstaja potencialno veliko več kandidatov za spin tekočine, kot je bilo pričakovano. To bi lahko bilo pomembno za napredovanje kvantnih računalnikov v prihodnosti, saj so centrifugalne tekočine ena od možne gradnike za prenos najmanjše enote kvantnih informacij, znanih kot qubit. "

menu
menu