Forskere finder nyt, lang hypotetiseret materialetilstand med signatur af kvanteforstyrrede væskelignende magnetiske øjeblikke

Teknologiens fremtid er afhængig, I høj grad, på nye materialer, men arbejdet med at udvikle disse materialer begynder år, før der kendes en specifik applikation til dem. Stephen Wilson, en professor i materialer ved UC Santa Barbara's College of Engineering, fungerer i det "længe før" rige, søger at skabe nye materialer, der udviser ønskelige nye tilstande.

I papiret "Field-tunable quantum disordered ground state in the triangular-gitter antiferromagnet NaYbO ₂ , "offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , Wilson og kolleger Leon Balents, af campusens Kavli Institute for Theoretical Physics, og Mark Sherwin, professor ved Institut for Fysik, beskrive deres opdagelse af en længe eftersøgt "kvante-spin-flydende tilstand" i materialet NaYbO ₂ (natrium ytterbiumoxid). Undersøgelsen blev ledet af materialestuderende Mitchell Bordelon og involverede også fysikstuderende Chunxiao Liu, Marzieh Kavand og Yuanqi Lyu, og bachelorstuderende kemistuderende Lorenzo Posthuma, samt samarbejdspartnere på Boston College og ved U.S.National Institute of Standards and Technology.

På atomniveau, elektroner i ét materiales gitterstruktur opfører sig anderledes, både individuelt og samlet, fra dem i et andet materiale. Specifikt, "spin, "eller elektronens iboende magnetiske moment (beslægtet med en medfødt stangmagnet) og dets tendens til at kommunikere og koordinere med magnetiske øjeblikke i nærheden af ​​elektroner adskiller sig efter materiale. Forskellige typer af spin -systemer og kollektive ordninger for disse øjeblikke vides at forekomme , og materialeforskere søger nogensinde nye, herunder dem, der er blevet antaget, men endnu ikke har vist sig at eksistere.

"Der er visse, mere klassiske øjeblikke, der i meget høj grad giver dig besked om, at drejningen peger i en bestemt retning, "Forklarede Wilson." I dem, kvanteeffekterne er små. Men der er visse øjeblikke, hvor kvanteeffekterne er store, og du kan ikke præcist orientere spinet, så der er usikkerhed, som vi kalder 'kvanteudsving'. "

Kvantemagnetiske tilstande er dem, hvor magnetisme af et materiale primært er drevet af sådanne kvantesvingninger, generelt afledt af usikkerhedsprincippet, iboende for magnetiske øjeblikke. "Så, du forestiller dig et magnetisk øjeblik, men usikkerhedsprincippet siger, at jeg ikke perfekt kan orientere det i nogen retning, "Bemærkede Wilson.

Forklarer kvantespins væsketilstand, som blev foreslået for længe siden og er genstand for dette papir, Wilson sagde, "I konventionelle materialer, de magnetiske øjeblikke taler til hinanden og ønsker at orientere sig i forhold til hinanden for at danne et ordensmønster. "I klassiske materialer, denne ordre forstyrres af termiske udsving, hvad Wilson beskriver som "bare varme fra miljøet."

"Hvis materialet er varmt nok, det er ikke -magnetisk, hvilket betyder, at øjeblikke alle er blandede i forhold til hinanden, "forklarede han." Når materialet er afkølet, øjeblikke begynder at kommunikere, sådan, at deres forbindelse til hinanden udkonkurrerer de termiske udsving, og de danner en ordnet tilstand. Det er klassisk magnetisme. "

Men tingene er anderledes i kvanteverdenen, og magnetiske øjeblikke, der svinger, kan faktisk være et materiales iboende "jordtilstand".

"Så, du kan spørge, om der er en magnetisk tilstand, hvor øjeblikke er forhindret i at fryse eller danne et mønster af rækkefølge med lang rækkevidde i forhold til hinanden, ikke ved termiske udsving, men i stedet, ved kvanteudsving "Sagde Wilson." Kvantudsving bliver mere relevante, efterhånden som et materiale afkøler, mens termiske udsving stiger, når det varmes op, så du vil finde en magnet, der ikke bestiller, før du kan få den kølig nok, så kvanteudsvingene forhindrer den i nogensinde at bestille. "

Den kvanteforstyrrelse er ønskelig, fordi den er forbundet med sammenfiltring, den kvantemekaniske kvalitet, der gør det muligt at kode kvanteinformation. For at afgøre, om NaYbO2 kan udvise denne egenskab, forskerne måtte bestemme det iboende, eller jordtilstand for materialets magnetiske øjeblikke, når alle termiske udsving fjernes. I dette særlige system, Wilson var eksperimentelt i stand til at bestemme, at de magnetiske øjeblikke iboende er i svingende, uorden tilstand, og bekræfter således, at der eksisterer en kvanteforstyrret tilstand.

For at finde den hypotetiserede tilstand, sagde Wilson, "Først skal du putte stærkt kvantemagnetiske øjeblikke i et materiale, men dit materiale skal konstrueres, så øjeblikke ikke ønsker at bestille. Det gør du ved at bruge princippet om 'magnetisk frustration'. "

En enkel måde at tænke på det, ifølge Wilson, er at forestille sig en enkelt trekant i materialets gitterstruktur. "Lad os sige, at jeg bygger mit materiale, så de magnetiske øjeblikke alle er placeret på et trekantet gitter, " han sagde, "og de taler alle sammen på en måde, der får dem til at orientere antiferromagnetisk, eller antiparallel, til hinanden."

I dette arrangement, ethvert tilstødende øjeblik på trekanten ønsker at orientere antiparallel til sin nabo. Men fordi der er et ulige antal point, du har en op på et tidspunkt og en ned (antiparallel til den første) ved det andet punkt, hvilket betyder, at det tredje øjeblik har et anderledes orienteret øjeblik på hver side, så den ved ikke hvad den skal gøre. Alle øjeblikke konkurrerer med hinanden.

"Det er magnetisk frustration, og, det viser sig, det reducerer den temperatur, hvormed øjeblikke endelig er i stand til at finde et arrangement, de alle er enige om, "Sagde Wilson." Så, for eksempel, klassisk, naturen beslutter, at ved en temperatur de uoverensstemmende øjeblikke er enige om, at de alle vil pege på 120 grader i forhold til hinanden. Så de er ikke alle 100 procent glade, men det er et kompromis, der etablerer en ordnet tilstand. "

Derfra, han tilføjede, "Ideen er at tage et frustreret gitter, hvor du allerede har undertrykt den ordnede tilstand, og tilføj kvantesvingninger til det, som tager over, når du afkøler materialet. Magnetisk frustration sænker bestillingstemperaturen nok, så kvanteudsving til sidst tager over, og systemet kan stabilisere sig til en fundamentalt forstyrret kvante -spin -tilstand. "

Wilson fortsatte:"Det er paradigmet for det, folk leder efter; dog er nogle materialer kan synes at vise denne tilstand, når de rent faktisk, det gør de ikke. For eksempel, alle virkelige materialer har uorden, såsom kemisk eller strukturel lidelse, og dette kan også forhindre de magnetiske øjeblikke i at tale effektivt til hinanden og blive ordnet. I et sådant tilfælde, Wilson siger, "De kan danne en uorden, men det er mere en frossen, eller statisk, uordnet tilstand, end det er en dynamisk kvantetilstand.

"Så, hvis jeg har et magnetisk system, der ikke bestiller ved de laveste temperaturer, jeg kan måle, det kan være vanskeligt at forsøge at forstå, om det, jeg måler, er en iboende kvantespinnevæske svingende tilstand eller en frossen, ydre, kemisk drevet uordnet tilstand. Det diskuteres altid. "

Blandt de mest interessante fund om dette nye materiale, Wilson sagde, er, at selv ved den laveste målbare temperatur - .005 grader Celsius over det absolutte nul - bestiller den stadig ikke.

"Imidlertid, i dette materiale kan vi også anvende et magnetfelt, som bryder denne konkurrence forårsaget af magnetisk frustration, og så kan vi køre det på bestilling, fremkalder en særlig form for antiferromagnetisk tilstand, "tilføjede han." Grunden til det er vigtigt, fordi denne særlige tilstand er meget sart og et meget godt fingeraftryk for, hvor meget kemisk lidelse der er i systemet og dets indflydelse på den magnetiske jordtilstand. Det faktum, at vi kan drive denne feltdrevne tilstand, fortæller os, at den uordnede tilstand, vi ser ved lave temperaturer med nul magnetfelt, faktisk er en iboende kvanteforstyrret tilstand, i overensstemmelse med at være en kvante -spin -flydende tilstand. "