Kraftfuld ny magnet giver frisk indsigt i frosne kvantematerialer

Forskere ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har afsluttet den foreløbige idriftsættelse af en ny 14-tesla-magnet ved Spallation Neutron Source (SNS). Dette nye prøvemiljø giver forskere mulighed for at udforske den grundlæggende fysik bag kvantestofs komplekse adfærd.

Magneten, som også har en valgfri fortyndingskøleskabsindsats, er det seneste lavtemperaturprøvemiljø, der skal tages i brug hos SNS. Vejer 2, 670 pund og stående næsten 7 fod høj, denne massive enhed er et glimrende værktøj til forskere, der ønsker at lære mere om materialer, der udviser kvantefænomener. Dets kraftige magnetfelt tvinger kvantepartikler til at opføre sig på en velordnet måde, giver forskere mulighed for at lokalisere mønstre i ellers uordnede kvantesystemer. Og med dets køleskab - som kan køle prøver til -459,65 ° F - kan forskere i det væsentlige "fryse" molekylære vibrationer i materialer, der kan forekomme som baggrundsstøj i neutronspredningsundersøgelser. Dette giver mulighed for mere nøjagtige målinger af excitationerne forbundet med kvantemagneter.

"Kvantesystemer mangler ofte mærkbar orden. Dette gør det vanskeligt at forstå deres grundlæggende karakteristika. Dette nye eksempelmiljø lader os bringe orden i disse systemer, vi er interesserede i at studere, " sagde Matt Stone, en ledende instrumentforsker ved ORNL.

Stone forklarede, at 14-tesla-magneten producerer et magnetfelt, der er meget velegnet til mange af de neutronspredningsforsøg på kvantematerialer, der forfølges på SNS. Men, han tilføjede, ORNL's neutronspredningsfaciliteter kan håndtere prøvemiljøer, der producerer meget større magnetfelter.

"Et 14-tesla magnetfelt giver os mulighed for at sprede neutroner gennem en stor spredningsvinkelåbning. Det er ideelt til at udforske en bred vifte af materialer og kvanteadfærd, inklusive ting som kvantemagnetisme og spinvæsker, sagde han. Vær sikker på, selvom, at større magnetfeltprøvemiljøer allerede overvejes til udvikling på ORNLs neutronspredningsfaciliteter."

Stone brugte tre år på at designe og teste 14-tesla-magneten sammen med kolleger hos ORNL og Oxford Instruments, et videnskabeligt instrumenteringsfirma med base i Oxford, England. Det tog yderligere tre uger for teknikere og ingeniører at samle magneten, som ankom fra Oxford i 13 enorme kasser.

"Det var et stort projekt, men det gik meget glat. Vores personale og vores jævnaldrende hos Oxford Instruments samlede dette prøvemiljø med omhyggelig omhu, og den flid er det, der gjorde denne forsamling så vellykket, "sagde Saad Elorfi, en mestertekniker med lavtemperatur- og magnetprøvemiljøteamet hos ORNL.

Neutroner er fremragende værktøjer til at studere kvantesystemer. De har ikke en elektrisk ladning, men de har et magnetisk øjeblik, hvilket gør dem følsomme over for magnetiske materialer såsom kvantemagneter.

"Ud over deres følsomhed over for magnetiske strukturer, neutroner ved de kolde neutroninstrumenter på ORNL er særligt nyttige til undersøgelse af kvantefænomener, fordi de produceres ved en energi, der ligner den, vi ser i kvante -excitationer, " sagde Stone.

Stone fortæller, at en række forskere allerede har kontaktet ham om at bruge 14-tesla-magneten til deres eksperimenter. Magneten er mobil, hvilket betyder, at den kan installeres på en række forskellige neutronspredningsinstrumenter hos SNS. Disse omfatter SEQUOIA, HYSPEC, CORELLI, ARCS, og CNCS.

"Vi har skabt et stærkt aktiv for forskere, der ønsker at udforske kvantematerialer, en vi forventer vil producere banebrydende forskning på dette område, "sagde Stone.

SNS er en DOE Office of Science User Facility. UT-Battelle LLC administrerer ORNL for DOE Office of Science. Office of Science er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning i de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer.