Anvendelsen af ​​tre-akse lavenergispektroskopi i kvantefysisk forskning

I moderne fysik i det forrige århundrede, at forstå de elektroniske egenskaber og interaktioner mellem elektroner inde i stof har været en stor udfordring. Elektroner er ansvarlige for den kemiske forbindelse mellem atomer og næsten alle faktorer, der kendetegner et stykke stof, såsom farve, varmetransport, ledningsevne og magnetisme. En elementær egenskab ved elektroner er spin, og kombinationen af ​​elektroniske spins på atomniveau kan fremkalde et magnetisk moment på visse atomer, som udgør materialet. Disse øjeblikke kan tilføje op til makroskopiske magnetiske kræfter.

Da magnetisme er fodaftryk for elektroners interaktive adfærd, at studere det på atomniveau informerer os om den kollektive elektroniske adfærd i atommiljøet. Dette kan forklare makroskopisk observerede elektroniske egenskaber, ligesom konduktivitetens temperaturafhængighed.

På atomplan, magnetiske ioner er tæt pakket og påvirker således gensidigt hinanden, hvilket resulterer i vedtagelse af en fælles magnetisk ordre for at minimere deres energibalance. En let forstyrrelse fører til en spinbølge, hvorved en svingning af et magnetisk moment omkring dets centrale akse inducerer oscillerende forstyrrelser med en lille faseforskydning på de atomare naboer. Spinbølger observeres rutinemæssigt i ordnede magnetiske materialer ved uelastisk neutronspredning (INS) på spektrometre ved Institut Laue-Langevin (ILL).

Overgang fra en klassisk til en kvantemagnetisk verden

Det magnetiske moment er karakteriseret ved dets spintal. Jo større centrifugering, jo mere passende er det at sammenligne det atomare magnetiske moment med en klassisk magnet. At sænke spindet betyder at fremhæve dets kvanteegenskaber; udforske overgangen til kvanteverdenen, som er fundamentalt anderledes end det daglige, makroskopisk verden, er en af ​​de mest spændende udfordringer inden for faststoffysik.

Det mest citerede eksempel er spin -1/2 øjeblikke placeret i hjørnet af en trekant lige langt fra hinanden. På grund af sin kvante karakter, et spin kan kun pege opad eller nedad i forhold til sin lokale akse. En magnetisk udveksling mellem spin-momenterne, der er antiferromagnetisk i naturen, tvinger dem til at justere antiparallel til hinanden. Da en kvantemagnet ikke kan bestille, frem for at vedtage en grundstat, flere tilstande er lige sandsynlige (6 i tilfælde af trekanten), og spins er i en superpositioneret tilstand, der peger i flere retninger på én gang.

Kombination af ækvidistante trekanter fører til et todimensionelt netværk af spins. dens grundtilstand, dvs. spin -arrangementet med den lavest mulige energiomkostning, har udfordret teoretikere i årtier. I 1973, ædelpristager P.W. Anderson foreslog en såkaldt 'quantum spin liquid state, 'som konceptuelt er helt anderledes end ordnede magnetiske faser. Anderson hævdede, at for et trekantet system, det er energisk mere gunstigt for spins at organisere sig i obligationer. I disse valensobligationer, elektroner er kvantemekanisk 'sammenfiltrede, 'en rent kvantemekanisk tilstand. En overlejring af en mangfoldighed af bindingsmønster eksisterer parallelt, og bindinger svinger på grund af et kvantemekanisk princip, som pålægger partiklerne nulpunktsbevægelser. Denne tilstand kaldes en Resonant Valence Bond (RVB) tilstand.

Neutronspredning giver eksperimentelt bevis for RVB -tilstanden

Her på ILL, to kolde tre-akse spektrometre, IN14 og IN12, bidrog gennem årtier til opdagelsen og opklaringen af ​​magnetiske korrelationer i klassiske og ikke-konventionelle superledere, multiferroiske krystaller og en bred vifte af lavdimensionelle, frustrerede og kvantemagnetiske systemer. Da begge instrumenter stammer fra 1980'erne, de havde brug for en fuldstændig renovering for at kunne fortsætte med at bidrage til de videnskabelige fremskridt på disse områder. Det nye IN12 spektrometer blev flyttet og renoveret blev afsluttet i 2012, og ved udgangen af ​​2014, IN14-spektrometeret blev erstattet af dets efterfølger, THALES.

ThALES, Tre-akset instrument til lavenergispektroskopi, er en næste generations koldneutron tre-akset spektrometer, der bygger på sine forgængers styrker, IN14, men bruger state-of-the-art neutronoptik. ThALES -projektet er et samarbejde mellem ILL og Charles University, Prag, og er finansieret af det tjekkiske ministerium for videnskab og uddannelse.

Efter at have udskiftet IN14, ThALES blev den nye reference for kold enkeltkrystal neutronspektroskopi ved en steady state neutronkilde som ILL-reaktoren. ThALES er blevet fuldt optimeret til at håndtere fysikken i stærkt korrelerede elektronsystemer og videnskabelige problemer inden for kvantemagnetisme. I øvrigt, spektrometrets fleksibilitet er blevet forbedret gennem implementeringen af ​​forskellige optiske elementer.

Hovedformålene med ThALES er:

• at øge den samlede dataindsamlingshastighed ved at genopbygge det primære spektrometers neutronoptik;
• at tilvejebringe en polariseret neutronmulighed, der er effektiv og let at bruge;
• at udvide det indfaldende neutroninterval mod højere energier, og dermed bygge bro med termiske instrumenter;
• at kunne bruge højfeltmagneter uden begrænsninger af det kinematiske område, dvs. under alle potentielle forsøgsbetingelser.

ThALES blev brugt til at udføre INS-målinger i en nylig undersøgelse udført af et samarbejde mellem forskere, herunder ILL's Martin Boehm, nuværende koordinator for det EU-finansierede neutronnetværk SINE2020. Undersøgelsen offentliggjort i Nature, med titlen 'Bevis for en spinon Fermi-overflade i en trekantet gitter kvantespin-flydende kandidat, 'hævdede, at den trekantede gitter antiferromagnet YbMgGaO4 har den længe søgt kvantespin flydende RVB grundtilstand. Denne undersøgelse var den første til at bruge neutronspredning som et middel til at levere eksperimentelt bevis for RVB -tilstanden.

Den eksperimentelle indsats for at opdage RVB -grundtilstanden er steget betydeligt siden P.W. Anderson foreslog, at det kunne forklare fænomenet superledning i en klasse af materialer, der viser særlig høje overgangstemperaturer mellem en normal ledende og superledende tilstand. Imidlertid, at give eksperimentelt bevis for eksistensen af ​​RVB-staten er meget udfordrende, fordi mens et magnetisk ordnet system har et klart eksperimentelt svar, RVB -tilstanden er karakteriseret ved fravær af en målbar mængde.

På grund af manglen på en målbar mængde, denne undersøgelses eksperimentelle tilgang, ved hjælp af ThALES, udvalgt indirekte eksperimentelt bevis ved bevidst at excitere grundtilstanden med neutroner og måle den dynamiske respons. Ifølge teoretiske forventninger, den ophidsede centrifugeringsvæske opfører sig eksotisk, 'betyder, at den ophidsede tilstand forklares af spinoner med meget usædvanlige egenskaber. Spinons kan omarrangere fordelingen af ​​valensobligationer og rejse gennem det trekantede plan med en minimal mængde energi.

I en spredningsproces mellem neutronen og spinvæsken, loven om bevarelse af total momentum pålægger skabelsen af ​​to spin-1/2 spinoner i væsken. Dette par spinoner bevæger sig i modsatte retninger med en samlet mængde energi svarende til tabet af neutronenergi i spredningsprocessen. Ved hjælp af ThALES spektrometer, det er muligt at spore spinons retning og energier ved at måle retningen og energien for neutronen, der skabte spinonparret. På denne måde, denne undersøgelse sporede et komplet dynamisk landskab af spin-kvantevæsken i det trekantede plan, og sammenlignede målingerne med teoretiske forudsigelser, hvilket gav stærke beviser for eksistensen af ​​spinvæskefasen i YbMgGaO4.

Denne forskning er vigtig, da en kvantespinnende væsketilstand er potentielt relevant for anvendelser af kvanteinformation. I øvrigt, eksperimentel identifikation af en kvante -spin -væsketilstand bidrager i høj grad til vores forståelse af kvantemateriale.