Forskere bruger pres for at få flydende magnetisme til at bryde igennem

Det lyder som en gåde:Hvad får du, hvis du tager to små diamanter, sætte en lille magnetisk krystal imellem dem og presse dem sammen meget langsomt?

Svaret er en magnetisk væske, hvilket virker kontraintuitivt. Væsker bliver til faste stoffer under tryk, men generelt ikke omvendt. Men denne usædvanlige afgørende opdagelse, afsløret af et team af forskere, der arbejder ved Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Argonne National Laboratory, kan give forskere ny indsigt i højtemperatursuperledning og kvanteberegning.

Selvom forskere og ingeniører har gjort brug af superledende materialer i årtier, den nøjagtige proces, hvorved højtemperatur-superledere leder elektricitet uden modstand, forbliver et kvantemekanisk mysterium. De afslørende tegn på en superleder er et tab af modstand og et tab af magnetisme. Højtemperatur-superledere kan fungere ved temperaturer over dem for flydende nitrogen (-320 grader Fahrenheit), gør dem attraktive for tabsfri transmissionsledninger i elnet og andre applikationer i energisektoren.

Men ingen ved rigtigt, hvordan højtemperatur-superledere opnår denne tilstand. Denne viden er nødvendig for at øge disse materialers driftstemperatur mod omgivelsestemperatur, noget, der ville være påkrævet for fuldskala implementering af superledere i energibesparende elnet.

En idé fremsat i 1987 af den afdøde teoretiker Phil Anderson fra Princeton University involverer at sætte materialer i en kvantespin flydende tilstand, som Anderson foreslog kunne føre til høj-temperatur superledning. Nøglen er elektronernes spins i hvert af materialets atomer, som under visse betingelser kan skubbes ind i en tilstand, hvor de bliver "frustrerede" og ude af stand til at indrette sig i et ordnet mønster.

For at lindre denne frustration, elektronspin-retninger svinger i tid, kun at justere med nabospin i korte perioder, som en væske. Det er disse fluktuationer, der kan hjælpe med dannelsen af ​​elektronpar, der er nødvendig for superledning ved høj temperatur.

Tryk giver en måde at "tune" adskillelsen mellem elektronspin og drive en magnet til en frustreret tilstand, hvor magnetismen forsvinder ved et bestemt tryk, og en spinvæske kommer frem, ifølge Daniel Haskel, fysikeren og gruppelederen i Argonne's X-ray Science Division (XSD), der ledede et forskerhold gennem en række eksperimenter på APS for at gøre netop det. Holdet omfattede Argonne assisterende fysiker Gilberto Fabbris og fysikerne Jong-Woo Kim og Jung Ho Kim, hele XSD.

Haskel er omhyggelig med at sige, at hans holds resultater, for nylig offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , ikke endegyldigt demonstrere kvantekarakteren af ​​spin-væsketilstanden, hvor de atomare spins ville fortsætte med at bevæge sig selv ved absolutte nultemperaturer - flere eksperimenter ville være nødvendige for at bekræfte det.

Men de viser, at ved at lægge langsomt og konstant pres, nogle magnetiske materialer kan skubbes ind i en tilstand, der ligner en væske, hvor elektronens spin bliver uordnet og magnetismen forsvinder, samtidig med at det krystallinske arrangement af atomerne, der er vært for elektronspindene, bevares. Forskere er sikre på, at de har skabt en spin-væske, hvor elektronspinnene er uordnede, men er ikke sikker på, om disse spins er viklet ind, hvilket ville være et tegn på en kvantespinvæske.

Hvis dette er en kvantespinvæske, Haskel sagde, evnen til at skabe en ved denne metode ville have vidtrækkende konsekvenser.

"Nogle typer kvantespinvæsker kan muliggøre fejlfri kvanteberegning, "Sagde Haskel." En kvante -spin -væske er en superposition af spin -tilstande, svingende men indviklet. Det er rimeligt at sige, at denne proces, skulle det skabe en kvantespinvæske med kvantesuperposition, vil have lavet en qubit, den grundlæggende byggesten i en kvantecomputer."

Så hvad gjorde holdet, og hvordan gjorde de det? Det bringer os tilbage til diamanterne, del af et unikt eksperimentelt setup på APS. Forskere brugte to diamantambolte, skæres på samme måde som det, du ville se i smykkebutikker, med en bred base og en smallere, flad kant. De placerede de mindre flade kanter sammen, indsatte en prøve af magnetisk materiale (i dette tilfælde en strontium-iridium-legering) mellem dem, og skubbet.

"Ideen er, at når du presser det på, det bringer atomerne tættere sammen, " sagde Fabbris. "Og da vi kan gøre det langsomt, det kan vi gøre løbende og vi kan måle egenskaberne af prøven, når vi stiger i tryk."

Når Fabbris siger, at trykket blev påført langsomt, han laver ikke sjov - hvert af disse eksperimenter tog omkring en uge, han sagde, ved at bruge en prøve på omkring 100 mikrometer i diameter, eller omtrent på bredden af ​​et tyndt ark papir. Da forskerne ikke vidste, ved hvilket tryk magnetisme ville forsvinde, de måtte omhyggeligt måle for hver meget lille stigning.

Og se det forsvinde gjorde de, på omkring 20 gigapascal - svarende til 200, 000 atmosfærer, eller omkring 200 gange mere tryk, end der kan findes i bunden af ​​Mariana-graven i Stillehavet, den dybeste rende på jorden. Elektronernes spins forblev korrelerede over korte afstande, som en væske, men forblev uordnet selv ved temperaturer så lave som 1,5 Kelvin (-457 grader Fahrenheit).

Tricket, Haskel sagde - og nøglen til at skabe en spin flydende tilstand - var at bevare den krystallinske orden og symmetrien af ​​atomarrangementet, da den uønskede virkning af tilfældig uorden i atompositioner ville have ført til en anden magnetisk tilstand, en uden de unikke egenskaber ved centrifugeringsvæsken. Haskel sammenligner elektronspindene med naboer på en byblok - når de kommer tættere på, de vil alle gerne gøre hinanden glade, ændre deres spin-retning for at matche deres naboers. Målet er at få dem så tæt på hinanden, at de umuligt kan holde alle deres naboer glade, derved "frustrerer" deres spin-interaktioner, samtidig med at byblokkens struktur bevares.

Forskerholdet brugte APS's intense røntgenbilleddannelsesegenskaber til at måle prøvens magnetisme, og ifølge Haskel og Fabbris, APS er den eneste facilitet i USA, hvor et sådant eksperiment kunne udføres. I særdeleshed, Fabbris sagde, evnen til at fokusere på en type atom, ignorerer alle andre, var afgørende.

"Prøverne er meget små, og hvis du prøver at måle magnetisme med andre teknikker i et universitetslaboratorium, du vil opfange det magnetiske signal fra komponenter i diamantamboltcellen, " sagde Fabbris. "De målinger, vi gjorde, er umulige uden en lyskilde som APS. Det er enestående i stand til dette."

Nu hvor holdet har opnået en spin flydende tilstand, hvad er det næste? Der er behov for flere eksperimenter for at se, om der er skabt en kvantespinvæske. Fremtidige eksperimenter vil involvere at undersøge arten af ​​spindynamik og korrelationer mere direkte i spin-væsketilstanden. Men de seneste resultater, Haskel sagde, give en vej til at realisere disse undvigende kvantetilstande, en, der kunne føre til ny indsigt i superledningsevne og kvanteinformationsvidenskab.

Haskel pegede også frem til APS-opgraderingen, et massivt projekt, der vil se instrumentets lysstyrke øges op til 1, 000 gange. Det her, han sagde, vil give mulighed for meget dybere sonder i disse fascinerende materiens tilstande.

"Det er op til nogens fantasi, hvilke overraskende kvantemekaniske effekter der venter på at blive opdaget, " han sagde.