Bevis for kvantetilstand i spin -klyngekæden forudsagt af Nobelprismodtager fundet i magnetisk mineral

Atomteknikker på ANSTO har hjulpet med at bekræfte et kvante -spin -fænomen, en Haldane -fase, i et magnetisk materiale, der har potentiale til at blive brugt som målemodel til kvanteberegning.

Selvom der har været eksperimentelt bevis for Haldane -fasen i andre typer endimensionelle antiferromagnetiske materialer, det menes at være det første bevis i et klynge-baseret materiale.

"Neutronspektret fra Pelican gav de data, der bekræftede, at Haldane -tilstand eksisterer i fedotovit, som foreslået af vores andre målinger og teoretiske undersøgelser. Neutrondataene viste både spin -gap og dispersion, der er karakteristika for Haldane -staten, "sagde hovedforfatter A/Prof Masayoshi Fujihara fra Tokyo University of Science.

I en artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve som et 'redaktørforslag', et stort samarbejde mellem forskere, ledet af fysikere fra Japan, ANSTO instrumentforskere Dr. Richard Mole, Dehong Yu og Shinichiro Yano fra National Synchrotron Radiation Research Center i Taiwan (der driver det taiwanske instrument Sika på ANSTO), delte eksperimentelle beviser for Haldane -fasen i fedotovit.

Rammen for denne usædvanlige tilstand blev forudsagt af prof. Duncan Haldane, som delte Nobelprisen i fysik for udviklingen af ​​de 'topologiske faser af stofteori' med David Thouless og Michael Kosterlitz i 2016.

Kvasi endimensionelle spin -systemer, såsom fedotovite K ₂ Cu ₃ O (SÅ ₄ ) ₃ , har en usædvanlig magnetisk adfærd ved meget lav temperatur, hvor jordtilstanden er en endimensionel kæde i en triplet konfiguration med S =1 spin.

S =1 opstår, fordi der er et lige antal S =1/2 på de magnetiske Cu2+ -ioner i enderne af spin -kæden, som forudsagt af Haldane.

"Kvasi-en-dimensionelle kæder såsom fedotovit har ikke et enkelt spin, men en gruppe spins, der danner en klynge. En klynge af atomer interagerer derefter svagt med den nærliggende klynge af atomer, "sagde Mole.

Magnetisk kobling opstår på grund af superudvekslingsinteraktioner mellem spin -klyngerne og lille antiferromagnetisk kobling i klyngen.

"Den gappede adfærd kan observeres i Pelican -spektret, som er meget følsom over for svage magnetiske interaktioner, "sagde Mole.

Fedotovitten har et unikt arrangement af magnetiske ioner og to-trins magnetisk adfærd.

Uelastisk neutronspredning på Pelican time-of-flight-spektrometeret fangede spin-hullet ved 1,5 K med en størrelse på 0,6. meV, der lukker ved 4,0 K. Målingerne var i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser.

"Vi taler om meget små mængder energi, men hullet er reelt, "sagde Yu.

"Haldane -tilstanden vil dukke op, når antallet af tetraedriske i spin -klyngekæden er lige, men ikke ulige, som forudsagt af vores teoretiske beregninger i dette papir, "sagde Yano.

Krystalstrukturen af ​​mineralet fedotovit blev oprindeligt bestemt af russiske forskere i 1990'erne, det nuværende arbejde udnyttede imidlertid en nyudviklet syntetisk metode i Fujiahala -laboratoriet ved Tokyo University of Science.

Det gjorde det muligt at lave store mængder af prøver af høj renhed, hvilket var afgørende for neutronspredningsforsøgene.

Krystalstrukturen blev bestemt ved røntgendiffraktion på Photon Factory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Japan.