Fysikere finder den første mulige 3D-kvante-spin-væske

Der er ingen kendt måde at bevise, at der findes en tredimensionel "kvante-spin-væske", så fysikere fra Rice University og deres samarbejdspartnere gjorde det næstbedste:De viste, at deres enkelte krystaller af ceriumzirkoniumpyrochlor havde de rigtige ting til at kvalificere sig som den første mulige 3-D-version af den længe søgte tilstand.

Trods navnet, en kvantespinnevæske er et fast materiale, hvor kvantemekanikkens underlige egenskab - sammenfiltring - sikrer en væskelignende magnetisk tilstand.

I et papir i denne uge i Naturfysik , forskere tilbød en lang række eksperimentelle beviser-herunder afgørende neutronspredningsforsøg ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og muon spin-afslapningseksperimenter ved Schweiz Paul Scherrer Institute (PSI)-for at understøtte deres sag om, at ceriumzirconiumpyrochlore, i sin enkeltkrystalform, er det første materiale, der kvalificerer sig som en 3-D kvante-centrifugeringsvæske.

"En kvante -spin -væske er noget, forskere definerer ud fra det, du ikke ser, "sagde Rice's Pengcheng Dai, tilsvarende forfatter til undersøgelsen og medlem af Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Du kan ikke se rækkefølge på lang afstand i arrangementet af spins. Du ser ikke uorden. Og forskellige andre ting. Det er ikke dette. Det er ikke det. Der er ingen afgørende positiv identifikation."

Forskningsteamets prøver menes at være de første af sin art:Pyrochlorer på grund af deres 2-til-2-til-7-forhold af cerium, zirkonium og ilt, og enkeltkrystaller, fordi atomerne inde i dem er arrangeret i en kontinuerlig, ubrudt gitter.

"Vi har udført alle eksperimenter, vi kunne tænke os på denne forbindelse, "Dai sagde." (Medforfatter af undersøgelsen) Emilia Morosans gruppe i Rice lavede varmekapacitet for at vise, at materialet ikke gennemgår en faseovergang ned til 50 millikelvin. Vi lavede meget omhyggelig krystallografi for at vise, at der ikke er nogen forstyrrelse i krystallen. Vi lavede muon-spin-afslapningseksperimenter, der demonstrerede et fravær af langdistancemagnetisk orden ned til 20 millikelvin, og vi lavede diffraktionsforsøg, der viste, at prøven ikke har nogen iltfri plads eller andre kendte defekter. Endelig, vi lavede uelastisk neutronspredning, der viste tilstedeværelsen af ​​et spin-excitationskontinuum-hvilket kan være et kvante-spin-væske-kendetegn-ned til 35 millikelvin. "

Dai, professor i fysik og astronomi, krediterede undersøgelsens succes til sine kolleger, især medlederforfattere Bin Gao og Tong Chen og medforfatter David Tam. Gao, en postdoktor i Rice, forskningsassistent, skabte enkeltkrystalprøverne i en laser flydende zoneovn på laboratoriet fra Rutgers University medforfatter Sang-Wook Cheong. Tong, en ris Ph.D. studerende, hjalp Bin med at udføre eksperimenter på ORNL, der frembragte et spin-excitationskontinuum, der indikerer tilstedeværelsen af ​​spin-sammenfiltring, der producerer kort rækkevidde, og Tam, også en Rice Ph.D. studerende, ledte muon spin rotation eksperimenter på PSI.

På trods af holdets indsats, Dai sagde, at det er umuligt endeligt at sige, at cerium-zirconium 227 er en centrifugeringsvæske, dels fordi fysikere endnu ikke er blevet enige om, hvilke eksperimentelle beviser der er nødvendige for at afgive erklæringen, og dels fordi definitionen af ​​en kvante -spin -væske er en tilstand, der eksisterer ved absolut nultemperatur, et ideal uden for rækkevidde af ethvert eksperiment.

Quantum spin væsker menes at forekomme i faste materialer, der er sammensat af magnetiske atomer, især krystallinske arrangementer. Elektronens iboende egenskab, der fører til magnetisme, er spin, og elektronspins kan kun pege op eller ned. I de fleste materialer, spins blandes tilfældigt som et kortspil, men magnetiske materialer er forskellige. I magneterne på køleskabe og inde i MR -maskiner, spins fornemmer deres naboer og arrangerer sig kollektivt i en retning. Fysikere kalder denne "langtrækkende ferromagnetisk orden, "og et andet vigtigt eksempel på langdistancemagnetisk orden er antiferromagnetisme, hvor spins samlet arrangeres i en gentagelse, op ned, op-ned mønster.

"I et fast stof med et periodisk arrangement af spins, hvis du ved, hvad et spin gør herude, du kan vide, hvad et spin gør mange, mange gentagelser væk på grund af lang rækkefølge, "sagde Rice teoretiske fysiker og studieforfatter Andriy Nevidomskyy, en lektor i fysik og astronomi og RCQM -medlem. "I en væske, på den anden side, der er ingen rækkefølge på lang afstand. Hvis du ser på to molekyler vand en millimeter fra hinanden, for eksempel, der er overhovedet ingen sammenhæng. Alligevel, på grund af deres hydrogen-hydrogenbindinger, de kan stadig have et ordnet arrangement på meget korte afstande med nærliggende molekyler, hvilket ville være et eksempel på kort rækkefølge. "

I 1973, Nobelpristagerens fysiker Philip Anderson foreslog ideen om kvante -spin -væsker baseret på erkendelsen af, at det geometriske arrangement af atomer i nogle krystaller kunne gøre det umuligt for sammenfiltrede spins at kollektivt orientere sig i stabile arrangementer.

Som bemærket videnskabsforfatter Philip Ball rammende beskrevet i 2017, "Forestil dig en antiferromagnet - hvor tilstødende spins foretrækker at være modsat orienteret - på et trekantet gitter. Hvert spin har to nærmeste naboer i en trekant, men den antiparallelle justering kan ikke opfyldes for hele trioen. En mulighed er, at spin -gitteret fryser til en uordnet 'glasagtig' tilstand, men Anderson viste, at kvantemekanik giver mulighed for svingende spins selv ved absolut nul (temperatur). Denne tilstand kaldes en kvante -spin -væske, og Anderson foreslog senere, at det kunne være forbundet med høj temperatur superledning. "

Muligheden for, at kvante-centrifugeringsvæsker kan forklare høj temperatur superledningsevne har ansporet udbredt interesse blandt kondenserede fysikere siden 1980'erne, og Nevidomskyy sagde, at interessen steg yderligere, da det blev "foreslået, at nogle eksempler på såkaldte topologiske kvante-spin-væsker kan være egnet til at bygge qubits" til kvanteberegning.

"Men jeg tror, ​​at en del af nysgerrigheden omkring kvante -spin -væsker er, at det er dukket op igen i mange inkarnationer og teoretiske forslag, "sagde han." Og selvom vi har teoretiske modeller, hvor vi ved, for en kendsgerning, at resultatet bliver en centrifugeringsvæske, at finde et faktisk fysisk materiale, der ville opfylde disse egenskaber, har, indtil nu, vist sig meget svært. Der er ingen konsensus på området, indtil nu, at ethvert materiale-2-D eller 3-D-er en kvante-centrifugeringsvæske. "