Forskere søger eksistens af eksotisk kvante -spin -is

Forskere fra Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, Romain Sibille og Nicolas Gauthier, studerer en fascinerende prøve ved hjælp af neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Spallation Neutron Source (SNS) ved Oak Ridge National Laboratory.

Deres mål er at skabe et observerbart tilfælde af kvantespindis, en bizar magnetisk tilstand fundet i en særlig klasse materialer, der kan føre til fremskridt inden for kvanteberegningsteknologier.

"Vi studerer mest oxider, som omfatter sjældne jordartsmagnetiske elementer, "sagde Sibille." Lige nu, vi studerer en prøve, der er kandidat til en magnetisk fase, der, indtil nu, har været svær at observere:kvante -spin -is. Vi håber at finde dette og demonstrere det med de nye muligheder her på SNS's HYSPEC -instrument ved hjælp af polarisering og supermirroret fra PSI. "

I 2015, HYSPEC, SNS beamline 14B, modtaget et nyt vidvinkel-polariserende supermirror-array bygget af forskere og ingeniører på PSI. Det nye superspejl giver brugerne mulighed for at udføre tredimensionel polarisationsanalyse af neutron excitationer.

Undersøgelser af frustreret magnetisme ved hjælp af neutronspredning fortsætter med at vokse mere populær blandt forskere, siger forskerne, stort set på grund af muligheden for at finde disse unikke kvantetilstande. Især kvantespindis er en del af en større klasse af magnetiske faser, eller grundstater, kaldet "kvante -spin -væsker".

Spindeis er et magnetisk stof, der ikke udviser konventionel magnetisme, som det ses i traditionelle stangmagneter med nord- og sydpoler, hvor elektronerne flugter parallelt. I stedet, materialets magnetiske øjeblikke - eller "spins" - arrangeres i uordnede eller "frustrerede" tilstande og svinger mellem forskellige konfigurationer, selv under ekstremt kolde forhold, når partikler forventes at fryse på plads.

"De magnetiske øjeblikke går ikke ind i en fase, hvor de alle er i en given retning og forbliver sådan, "forklarede Sibille." I stedet for systemet går ind i en fase, der er dynamisk og makroskopisk degenereret. Det betyder, at der er et meget stort antal forskellige lokale konfigurationer af de magnetiske øjeblikke, og det tal skaleres med prøvens størrelse. Jordtilstanden svinger mellem disse konfigurationer, og den angiver ikke en statisk rækkefølge med lang rækkevidde. "

Undersøgelsen af ​​kvante -spin -væsker er stadig meget et teoretisk område, fordi de nødvendige værktøjer til at observere disse faser er begrænsede.

"I bund og grund, vi er næsten begrænset til at bruge neutroner til at forsøge at observere dem, "sagde Sibille." Prøven, vi bruger, vil også blive afkølet til 50 milliKelvin [cirka -459 ° F] -ekstremt kold. Det er, i hvert fald i øjeblikket, næsten umuligt at lave røntgenforsøg under disse forhold. "

"Med neutroner, du kan lettere kortlægge den diffuse spredning end med røntgenstråler, også, "tilføjede Gauthier." Dog, det der kaldes 'kvante -spin -is' er, når kvanteudsving gør, at spin -iskonfigurationerne kan tunnelere indbyrdes, selv ved nul temperatur. Dette fører til fremkomsten af ​​eksotiske excitationer, der kan studeres ved hjælp af neutroner. Det er det, der er mest interessant, og hvad folk intensivt leder efter i øjeblikket. "

"Vi er meget begejstrede for at være de første PSI -brugere af supermirroret, "sagde Sibille." Hvis det virker, Det er både en meget interessant videnskabelig sag og en god præstation for samarbejdet mellem PSI og Oak Ridge. "

Teamets forskningsresultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik .