En samlet teori forklarer to karakteristiske træk ved frustrerede magneter

For første gang, fysikere præsenterer en samlet teori, der forklarer to karakteristiske træk ved frustrerede magneter, og hvorfor de ofte ses sammen.

Når fysikere sender neutroner skyde gennem en frustreret magnet, partiklerne sprøjter den anden side ud i signaturmønstre. Designene vises fordi, selv ved lave temperaturer, atomer i et frustreret metal svinger i takt med hinanden. Et markant mønster, kendt som et "knivspids, "ligner en sløjfe og er bredt undersøgt i en verden af ​​spinvæsker. Knivspidser ledsages ofte af mystiske halvmånemønstre kaldet" halvmåner, "men fysikken, der forbinder fænomenerne, er aldrig blevet afklaret.

Nu, forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har afsløret, at knivspidser og halvmåner er det samme - simpelthen signaturer af den samme fysik på forskellige energiniveauer. Deres forenede teori, offentliggjort 12. oktober, 2018, som en Fysisk gennemgang B Hurtig kommunikation, er den første til at forklare den underliggende fysik, der driver de ofte parrede fænomener.

"Teorien i sig selv er simpel, "sagde Han Yan, en kandidatstuderende i Theory of Quantum Matter Unit på OIST og første forfatter af undersøgelsen. "Fra den samme teori, der giver dig klempunktet ved lavere energi, du kan beregne, hvad der sker ved højere energi - og du får et par halvmåner. "

Hvis du zoomer tæt på en frustreret magnet, hvert atom, der udgør materialet, synes at rotere uberegneligt. I virkeligheden, imidlertid, disse atomer deltager i en smukt koordineret dans, vender sig i takt med hinanden, så deres magnetiske træk i sidste ende annulleres. Denne ballet er svær at observere direkte, så i stedet fysikere søger efter talende spor om, at forestillingen finder sted.

En eksperimentel teknik kaldet neutronspredning gør det muligt for forskere at indsamle disse spor. Neutroner bærer ingen elektrisk ladning, men de fungerer som en lokaliseret kilde til magnetisme. Individuelle atomer fungerer også som små magneter, komplet med deres egne nord- og sydpoler. Når det sendes susende gennem et materiale, en neutrons hastighed og retning slynges af de atomer, den passerer, og dermed er den "spredt".

Spredningsmønsteret fortæller fysikere, hvordan atomer opfører sig inde i et materiale. For eksempel, hvis neutroner spreder helter-skelter, fysikere udlede, at atomerne i et materiale er tilfældigt justeret. Hvis neutroner spredes i et kendetegnende sløjfe, de udleder, at atomerne snor sig i takt, som de ville i en frustreret magnet.

Knivspidser vises, når et lige antal atommagneter, eller "spins, "peger" ud "som peger" ind "i ethvert område af den frustrerede magnet. Denne ligevægt gør materialet ikke-magnetisk og holder det på et minimalt energiniveau.

Halvmåner vises, når en frustreret magnet har energi ud over dette minimale niveau, og dermed overtræder den lokale bevaringslov, som kræver, at et lige antal spins påpeges som i. I det væsentlige, halvmåner er knivspidser sat på en kurve. Jo større krumning, jo stærkere krænkelse, jo mere energi systemet bruger. OIST -forskerne afdækkede dette forhold i deres beregninger og satte det senere på prøve.

Forskerne testede deres forenede teori i et simuleret system, hvor knivspidser og halvmåner kan observeres sammen, kendt som en Heisenberg antiferro-magnet på et kagome gitter. De anvendte også deres ligninger på nylige observationer af den frustrerede magnet Nd2Zr2O7 og fandt ud af, at deres teori forklarede udseendet af de to mønstre i anvendelsen, såvel.

"Knivspidser og halvmåner kommer fra den samme underliggende fysik - den ene fra at respektere den lokale bevaringslov og den anden fra at overtræde den, "sagde Yan." Når du sætter dem sammen, de danner et helhedsbillede af den overordnede fænomenologi. "

I fremtiden, den samlede teori om halvmåner og knivspidser skulle vise sig nyttig i både teoretisk og anvendt fysik, og måske videre.

"Fra et bestemt synspunkt, hvert kondenseret stofsystem er for sig selv et andet univers, "sagde Yan." Det er en stor intellektuel nysgerrighed at finde disse universer, med deres egne mærkelige naturlove, men det vedrører også dagligdagen. Folk forsøger at identificere de særligt nyttige love i disse mini-universer, så vi kan bruge dem til vores fordel. "