Spin-tilstandshistorien:Observation af kvantespinvæsketilstanden i nyt materiale

Bortset fra den dybe forståelse af den naturlige verden, som kvantefysikteorien tilbyder, videnskabsmænd over hele verden stræber efter at frembringe en teknologisk revolution ved at udnytte denne nyfundne viden inden for tekniske applikationer. Spintronics er et spirende felt, der har til formål at overskride grænserne for traditionel elektronik ved at bruge elektronernes spin, hvilket groft kan ses som deres vinkeldrejning, som et middel til at overføre information.

Men designet af enheder, der kan fungere ved hjælp af spin, er ekstremt udfordrende og kræver brug af nye materialer i eksotiske tilstande - endda nogle, som videnskabsmænd ikke fuldt ud forstår og ikke har observeret eksperimentelt endnu. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere fra Institut for Anvendt Fysik ved Tokyo University of Science, Japan, beskriv en nysyntetiseret forbindelse med formlen KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl, der kan være nøglen til at forstå den undvigende "kvantespinvæske (QSL)"-tilstand. Ledende videnskabsmand Dr. Masayoshi Fujihala forklarer sin motivation:"Observation af en QSL-tilstand er et af de vigtigste mål inden for fysik af kondenseret stof såvel som udviklingen af ​​nye spintroniske enheder. QSL-tilstanden i todimensionelle (2-D) systemer er ikke blevet tydeligt observeret i virkelige materialer på grund af tilstedeværelsen af ​​uorden eller afvigelser fra ideelle modeller."

Hvad er quantum spin flydende tilstand? I antiferromagnetiske materialer under specifikke temperaturer, elektronernes spins retter sig naturligt ind i store mønstre. I materialer i en QSL-tilstand, imidlertid, spindene er uordnede på en måde svarende til, hvordan molekyler i flydende vand er uordnede i forhold til krystallinsk is. Denne lidelse opstår fra et strukturelt fænomen kaldet frustration, hvor der ikke er nogen mulig konfiguration af spins, der er symmetrisk og energetisk gunstig for alle elektroner. KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl er en nyligt syntetiseret forbindelse, hvis kobberatomer er arrangeret i et bestemt 2-D mønster kendt som "square kagome lattice (SKL), " et arrangement, der forventes at producere en QSL-tilstand gennem frustration. Professor Setsuo Mitsuda, medforfatter til undersøgelsen, udtaler:"Manglen på en modelforbindelse til SKL-systemet har hindret en dybere forståelse af dets spin-tilstand. Motiveret af dette, vi syntetiserede KCu ₆ AlBiO ₄ (SÅ ₄ ) ₅ Cl, den første SKL antiferromagnet, og demonstrerede fraværet af magnetisk bestilling ved ekstremt lave temperaturer - en QSL-tilstand."

Imidlertid, de opnåede eksperimentelle resultater kunne ikke replikeres gennem teoretiske beregninger ved hjælp af en standard "J ₁ -J ₂ -J ₃ SKL Heisenberg"-model. Denne tilgang overvejer interaktionerne mellem hver kobberion i krystalnetværket og dens nærmeste naboer. Medforfatter Dr. Katsuhiro Morita forklarer:"For at forsøge at eliminere uoverensstemmelsen, vi beregnede en SKL-model under hensyntagen til den næste-nærmeste-nabo-interaktion ved hjælp af forskellige sæt parametre. Stadig, vi kunne ikke gengive forsøgsresultaterne. Derfor, at forstå eksperimentet korrekt, vi er nødt til at beregne modellen med yderligere interaktioner."

Denne uoverensstemmelse mellem eksperiment og beregninger fremhæver behovet for at forfine eksisterende teoretiske tilgange, som medforfatter Prof Takami Tohyama konkluderer:"Mens den SKL-antiferromagnet, vi syntetiserede, er en første kandidat til at undersøge SKL-magnetisme, vi kan være nødt til at overveje længere rækkevidde interaktioner for at opnå en kvantespinvæske i vores modeller. Dette repræsenterer en teoretisk udfordring for at afsløre karakteren af ​​QSL-tilstanden." Lad os håbe, at fysikere formår at tackle denne udfordring for at bringe os endnu et skridt tættere på det vidunderlige løfte om spintronics.