Omrøring af en kvante-spin-væske med uorden

Disorder menes generelt at være skadeligt for at skabe materialer med usædvanlig magnetisme eller andre kvantefænomener. Imidlertid, et team fandt ud af, at svag lidelse overraskende stabiliserer en sjælden kvantetilstand, der kaldes en kvante -spin -væske. I denne tilstand, udsving i elektroniske spins vedvarer helt til temperaturer nær absolut nul. Det særlige materiale er lavet af praseodym, zirkonium, og oxygen (Pr2Zr2O7). Materialet indeholder sjældne jordioner (Pr3+) med et lige antal elektroner på et svagt uordnet krystallinsk gitter. Mens det krystallinske gitter frustrerer konventionel magnetisme, svag lidelse fremmer den sjældne kvantespin -flydende tilstand.

Opdagelsen af, at svag lidelse kan fremkalde denne sjældne tilstand, åbner en ny retning i jagten på en praktisk kvante -spin -væske. Denne tilstand kan være nyttig som byggesten til kvantecomputere. Disse computere kan være størrelsesordener hurtigere end nutidens computere. Denne hastighed oversætter til beregningskraft til at løse problemer, der ikke kan løses i dag.

En sjælden tilstand, der kaldes en kvante -spin -væske, der blev foreslået for over 40 år siden, forfølges for dens unikke fysiske egenskaber. I en kvante centrifugeringsvæske, elektroniske spins danner ikke et statisk ordnet mønster som i konventionelle magnetiske materialer, men svinge på en koordineret (sammenfiltret) måde selv ved ekstremt lave temperaturer. Men kan sådanne kvantefluktuationer af materie eksistere i praktiske materialer, der uundgåeligt er uordnede, og kan kvantitative oplysninger om dem udvindes fra neutronspredningsforsøg?

For at tage fat på sådanne spørgsmål, et team af forskere under ledelse af Johns Hopkins University studerede et pyrochloroxid med den kemiske formel Pr2Zr2O7. Konventionel magnetisme frustreres over geometrien i pyrochlorgitteret, når magnetiske ioner indtager en bestemt placering i krystalgitteret, og dette kan føre til eksotiske magnetiske tilstande. Kombination af solid-state syntese, højkvalitets enkeltkrystalvækst, og avanceret neutronspredning denne forskning afslørede tilstedeværelsen af ​​en kvante -spin -væske i Pr2Zr2O7.

De uelastiske neutronspredningsdata viser signaturen for denne sjældne tilstand, hvor et bånd af (uelastisk, w> 0) spredningsintensitet vedvarer ved temperaturer tæt på absolut nul. Denne forskning peger på et nyt paradigme, der på passende niveauer, svag strukturel lidelse kan faktisk fremme dannelsen af ​​en kvante -spin -væske med sammenfiltrede elektroniske spins. Denne evne til at manipulere og fremkalde kvantemagnetisme på trods af uorden kunne bane vejen for nye og mere praktiske materialer med den undvigende kvante -spin -væske til applikationer, herunder kvantecomputing.