Manipulering af kvanteordre

Afkøl et materiale til tilstrækkeligt lave temperaturer, og det vil søge en eller anden form for kollektiv orden. Tilføj kvantemekanik eller begræns den geometri og de materielle tilstande, der dukker op, kan være eksotiske, herunder elektroner, hvis spins arrangerer sig selv i spiraler, pinwheels, eller krystaller.

I et nylig par publikationer i Naturkommunikation , hold ledet af Caltechs Thomas F. Rosenbaum, professor i fysik og indehaver af formanden for Sonja og William Davidow, rapportere, hvordan de har kombineret magnetfelter og stort tryk for ikke kun at fremkalde disse tilstande ved ultralave temperaturer, men også at skubbe dem mellem konkurrerende typer af kvanteordre.

Rosenbaum er ekspert i materialernes kvantemekaniske karakter - elektronikens fysik, magnetisk, og optiske materialer på atomniveau - der bedst observeres ved temperaturer nær absolut nul. I det første af de to papirer, udgivet i juni og ledet af Sara Haravifard, nu på fakultetet ved Duke University, holdet pressede en samling magnetiske kvantepartikler i en trykcelle ved temperaturer nær absolut nul og ved magnetiske felter mere end 50, 000 gange stærkere end jordens felt, og opdagede dannelsen af ​​nye typer krystalmønstre. Geometrien af ​​disse krystalmønstre afslører ikke kun den underliggende kvantemekanik i interaktionerne mellem de magnetiske partikler, men berører også den slags kollektive stater, der er tilladt for atomsystemer, som dem, der flyder uden friktion.

I arbejdet i det andet papir, udgivet i oktober og ledet af Caltech -kandidatstuderende Yishu Wang og Argonne -videnskabsmand Yejun Feng, Rosenbaum og kolleger undersøger også, hvordan materialer balancerer på knivkanten mellem forskellige typer kvanteordre. I dette tilfælde, imidlertid, forskerne fokuserer på forholdet mellem magnetisme og supraledelse - den elektriske modstands fuldstændige forsvinden - og hvordan disse egenskaber forholder sig til hinanden, når materialet ændrer tilstand under de tryk, der kan opnås i en diamantamboltcelle.

Forskerne brugte Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory til at studere de magnetiske egenskaber ved overgangsmetal -manganphosphid (MnP) for at se, hvordan det kunne være muligt at manipulere spinsens rækkefølge - elektronernes iboende magnetiske øjeblikke - til enten forbedre eller undertrykke begyndelsen af ​​superledning.

Superledning er en tilstand i et materiale, hvor der ikke er modstand mod elektrisk strøm, og alle magnetiske felter udvises. Denne adfærd stammer fra en såkaldt "makroskopisk kvantetilstand", hvor alle elektroner i et materiale virker sammen for at bevæge sig kooperativt gennem materialet uden energitab.

Rosenbaum og hans kolleger afgrænsede et spiralformet mønster af de magnetiske øjeblikke af elektronerne i MnP, der kunne indstilles ved at øge presset for at fremkalde superledning. Her holdt den særlige geometri af det magnetiske mønster nøglen til den ultimative tilstand, som materialet nåede. "Eksperimenterne afslører åbenbare muligheder for at finde nye lavenergistilstande via substitutioner for mangan og fosfor med tilstødende elementer fra det periodiske system, såsom krom og arsen. Taksonomien for tilladte kvantetilstande og evnen til at manipulere dem forener tilgange på tværs af kvantefysik og teknologi, "Siger Rosenbaum.

Det første papir, "Krystallisering af spin -supergitter med tryk og felt i den lagdelte magnet SrCu2 (BO3) 2, "blev offentliggjort den 20. juni, 2016. Medforfattere omfatter Daniel M. Silevitch, forskningsprofessor i fysik ved Caltech. Arbejdet hos Caltech blev støttet af National Science Foundation. Undersøgelsen i den anden artikel, med titlen "Spiral magnetisk orden og trykinduceret superledning i overgangsmetalforbindelser" og offentliggjort den 6. oktober, blev finansieret hos Caltech af en U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences award.