Studerer kvantefænomener i magnetiske systemer for at forstå eksotiske tilstande af stof

Udover faste stoffer, væsker og gasser, mere eksotiske tilstande af stof kan genereres i specifikke materialer under særlige forhold. Sådanne tilstande er af stor interesse for fysikere, fordi de giver en dybere forståelse af kvantefænomener.

Bose-Einstein-kondensatet er en sådan stoftilstand, der opstår ved meget lave temperaturer. I denne tilstand, de fleste af kondensatets bestanddele er i den såkaldte "jordtilstand, "ved deres lavest mulige energi, og mikroskopiske kvantefænomener kan let observeres. Interessant nok, denne tilstand kan også udvises af kvasipartikler, som ikke er egentlige partikler, men repræsenterer kollektive mikroskopiske excitationer i et system og kan således bruges til at beskrive systemet i en forenklet, alligevel meget nyttig måde.

Magnoner, en type kvasipartikel, der manifesterer sig i magnetiske materialer, er kollektive excitationer, der stammer fra elektroner i en krystal. Magnoner kan normalt hoppe mellem forskellige steder i krystallen; imidlertid, i nogle forbindelser og under påvirkning af et magnetfelt, de kan blive fanget i en slags catch-22 situation, hvilket resulterer i stiv krystallinitet. Dette er et meget interessant kvantefænomen kaldet "magnonkrystallisering, ", hvor magnonerne siges at være i en "frustreret" tilstand.

For at udforske denne ejendommelige effekt, et team af videnskabsmænd ledet af prof. Hidekazu Tanaka fra Tokyo Tech arbejdede på at karakterisere de magnetiske excitationer, der forekommer i en magnetisk isolator, Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ Cl ₂ . De udførte neutronspredningsforsøg, hvor neutronstråler blev affyret på Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ Cl ₂ krystaller ved forskellige energier og vinkler for at bestemme krystallernes egenskaber. Baseret på resultaterne af disse eksperimenter, holdet demonstrerede, at magnon-krystallisation forekommer i Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ Cl ₂ og tilskrev oprindelsen af ​​denne ordnede tilstand til de grundlæggende elektroniske interaktioner i materialet, fra et kvantemekanisk perspektiv. "Indtil for nylig, eksperimentelle undersøgelser af magnon-krystallisation har været begrænset til Shastry-Sutherland-forbindelsen SrCu ₂ (BO ₃ ) ₂ , og denne undersøgelse er et forsøg på at undersøge dette fascinerende kvantefænomen i et andet materiale, " bemærker prof. Tanaka.

At forstå rækkefølgen af ​​magnoner og deres virkninger på krystallers mikro- og makroskopiske magnetiske egenskaber kunne give forskere værdifuld indsigt i at korrelere kondenseret stofs fysik med kvantemekanikkens principper. "Dette arbejde viser, at meget frustrerede kvantemagneter giver legepladser til interagerende kvantepartikler, " konkluderer prof. Tanaka. Yderligere undersøgelser er nødvendige for at forstå Ba ₂ CoSi ₂ O ₆ Cl ₂ system og få et dybere fodfæste i kvantemekanikken og dens potentielle anvendelser.