Centrifuger væske på en top

Lidt frustration kan gøre livet interessant. Dette er bestemt tilfældet inden for fysik, hvor tilstedeværelsen af ​​konkurrerende kræfter, der ikke kan opfyldes på samme tid - kendt som frustration - kan føre til sjældne materielle egenskaber. Ligesom vandmolekyler bliver mere ordnede, når de afkøles og fryser til iskrystaller, magneternes atomer bliver mere ordnet med faldende temperatur, efterhånden som de små magnetfelter eller 'spins' af individuelle atomer begynder at pege i samme retning. Såkaldte 'spin væsker' er undtagelsen fra denne regel, med spins fortsætter med at svinge og pege i forskellige retninger, selv ved meget lave temperaturer. De tilbyder spændende muligheder for nye opdagelser inden for fysik. Forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har modelleret en bestemt spin -væske, viser, at lidelse kan eksistere sammen med orden. Tre store publikationer markerer milepælene inden for dette forskningsområde.

Først, Dr. Ludovic Jaubert fra OIST's Theory of Quantum Matter Unit arbejdede sammen med forskere ved University College London og Ecole Normale Supérieure i Lyon med at foreslå en model for sameksistensen af ​​både magnetisk orden og lidelse tilbage i 2014. Ved at simulere, hvad der ville ske, når neutroner affyres med frustrerede magneter-såkaldte på grund af den stærke konkurrence mellem kræfter mellem de enkelte atomers spin-Jaubert og kolleger var i stand til at producere farvestrålende neutronspredende kort. Hvis centrifugeringerne i materialets atomer stod på en ordnet måde i magneten, ville du forvente at se pletter på kortene kendt som 'Bragg -toppe', der henviser til, at med spin-væsker ville du forvente at se sløjfe-former, kaldes 'knivspidser'. Til deres overraskelse, forskerne lagde mærke til både Bragg-toppe og knivspidser på deres neutronspredende kort, tyder på, at de uordnede egenskaber ved en spinvæske samtidigt kan eksistere med ordnet magnetisme.

"Spinvæsker er paragoner af magnetisk lidelse. Det var meget spændende at se de karakteristiske træk ved en spinvæske i en delvist ordnet magnet. Det er virkelig motiverende at tænke på de grundlæggende muligheder, dette giver for vores forståelse af kondenseret stof, «siger Jaubert.

Den anden milepæl inden for dette forskningsområde fandt sted tidligere på året, da en publikation i Nature Physics viste, at teorien om Dr. Jaubert og kolleger holdt fast i eksperimentel observation, ved hjælp af det magnetiske materiale neodymiumzirkonat (Nd2Zr2O7). "Resultaterne af dette eksperiment bekræfter den teori, som Dr. Jaubert præsenterede om sameksistensen af ​​magnetisk orden og uorden i 2014, "siger Dr. Owen Benton, en tidligere postdoktor i Theory of Quantum Matter Unit, ledet af professor Nic Shannon.

Imidlertid, mere arbejde var nødvendigt for at knytte dette nye eksperiment til Jauberts oprindelige idé. For at afdække, hvordan neodymzirkonat både kunne bestilles og forstyrres på samme tid, Benton satte sig for at arbejde med den seneste milepæl i denne forskning, teoretisere en passende mikroskopisk model for dette magnetiske materiale. Ved hjælp af hans model, Benton viste, at neodymzirkonat eksisterer i både en ordnet og svingende tilstand, hvilket gør det til en meget usædvanlig slags magnet.

Værket viser også, at neodymzirkonat er på kanten til at blive en kvante -spin -væske - en sjælden tilstand af stof, der åbner en bagdør ind i kvanteverdenen. I en ægte kvante -spin væske, spins af et materiale ville ikke bare svinge gennem mange forskellige retninger som en funktion af tiden, men ville pege i mange forskellige retninger på samme tid.

"Hvis du kunne vise, at der var noget, der hedder en kvante -spin -væske, ville det være som et eksempel på Schrodingers kat på et stort objekt, "siger Benton. Schrodingers kat er et berømt tankeeksperiment inden for fysik, hvor en kat i en forseglet kasse med en radioaktiv kilde er både levende og død på samme tid. Ligesom katten findes i flere tilstande, dvs. levende og død, samtidigt, denne forskning baner vejen for at finde rigtige magneter, der er i mange stater på én gang.

"Denne undersøgelse viser også, at vi kan få et meget komplet billede af neodymzirkonats fysik ved hjælp af en model, "siger Benton. Yderligere teoretisk og eksperimentel forskning af dette og beslægtede materialer kunne afsløre endnu mere uventede og spændende fænomener.