Neutroner afslører undertrykkelse af magnetisk orden i jagten på en kvantespinvæske

Paige Kelley, en postdoktor med en fælles ansættelse ved University of Tennessee og Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), bruger neutroner til at studere specifikke krystalegenskaber, der kan føre til realisering af en kvante -spin -væske, en ny tilstand af sagen, der kan danne grundlag for fremtidige kvanteberegningsteknologier.

"I en kvante centrifugeringsvæske, centrifugeringer svinger konstant på grund af kvanteeffekter og indgår aldrig i et statisk ordnet arrangement, i modsætning til konventionelle magneter, "Kelley sagde." Disse stater kan være vært for eksotiske kvasipartikler, der kan detekteres ved uelastisk neutronspredning. "

For nylig, hun og hendes team så beviser for de kvasipartikler i alfa-rutheniumtrichlorid, når de fortyndede prøven med en lille mængde iridium. Iridium, Kelley siger, undertrykker den iboende lange rækkevidde magnetiske orden i rent rutheniumtrichlorid, hvilket gør det muligt at studere spin-flydende tilstand.

Holdet udførte lavtemperatur neutrondiffraktionsmålinger ved hjælp af Four-Circle Diffractometer-instrumentet, beamline HB-3A, og Fixed-Incident-Energy Triple-Axis Spectrometer (FIE-TAX), HB-1A, ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), en DOE Office of Science brugerfacilitet. De brugte begge instrumenter til at studere krystalstrukturen, magnetisk jordtilstand, og magnetiske momentstørrelser i enkeltkrystaller af iridium-substitueret rutheniumtrichlorid.

"Jeg forberedte enkeltkrystaller, hvor en lille mængde ruthenium blev erstattet af ikke-magnetiske iridiumioner og brugte Four Circle og FIE-TAX instrumenterne til at bestemme, hvordan dette påvirkede den magnetiske orden i systemet, "Sagde Kelley.

Når en lille mængde iridium er inkorporeret, forklarede hun, de fandt ud af, at begyndelsen af ​​den magnetisk ordnede tilstand forekommer ved en lavere temperatur end i rent rutheniumtrichlorid, og tilstanden ved lav temperatur viser en mindre ordnet momentstørrelse. Begge egenskaber er indikatorer for styrken af ​​de konventionelle magnetiske interaktioner i systemet.

"Ved at tilføje ikke-magnetisk iridium svækker vi den langsigtede rækkefølge, der konkurrerer med kvante-spin-flydende grundtilstand i rutheniumchlorid, "sagde hun." Undertrykkelsen af ​​den magnetiske orden er bestemt et skridt i den rigtige retning og åbner muligheden for at realisere en kvante -spin -væske i dette materiale med tilstrækkelig iridiumkoncentration. "

Neutronspredning har vist sig at være optimal for Kelley og hendes teams forskning på grund af den måde neutroner opfører sig inden for magnetiske materialer.

"Fordi neutroner selv har et spin, neutronspredning er meget mere følsom over for magnetiske momenter på grund af uparrede elektroner i en prøve end andre teknikker såsom røntgenspredning, "Sagde Kelley.

Inden du kommer til ORNL, Kelley studerede nanoteknologi som forsker ved University of South Florida. Hun fortsætter med at yde nye bidrag inden for kondenseret fysik og i det voksende felt af kvantematerialer.

"Kvasipartikel-excitationerne i en kvantespinvæske kunne manipuleres til at konstruere kvantebits eller qubits, den grundlæggende enhed for kvanteberegning, "Kelley sagde." Denne forskning kan i sidste ende føre til store fremskridt på dette område. "