Forskere finder beviser for eksotisk tilstand af stof i kandidatmateriale til kvantecomputere

Ved at bruge en ny teknik, videnskabsmænd, der arbejder ved Florida State University-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory, har fundet beviser for en kvantespinvæske, en materietilstand, der er lovende som byggesten til morgendagens kvantecomputere.

Forskere opdagede den spændende adfærd, mens de studerede de såkaldte elektronspin i forbindelsen rutheniumtrichlorid. Deres fund, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturfysik , viser, at elektronspin interagerer på tværs af materialet, effektivt at sænke den samlede energi. Denne type adfærd - i overensstemmelse med en kvantespinvæske - blev detekteret i rutheniumtrichlorid ved høje temperaturer og i høje magnetfelter.

Spin væsker, først teoretiseret i 1973, forblive noget af et mysterium. På trods af nogle materialer, der viser lovende tegn på denne tilstand, det er ekstremt udfordrende definitivt at bekræfte dens eksistens. Imidlertid, der er stor interesse for dem, fordi videnskabsmænd mener, at de kan bruges til design af smartere materialer i en række forskellige anvendelser, såsom kvanteberegning.

Denne undersøgelse giver stærk støtte for, at rutheniumtrichlorid er en spin-væske, sagde fysiker Kim Modic, en tidligere kandidatstuderende, der arbejdede på MagLabs pulserende feltfacilitet og nu er adjunkt ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig.

"Jeg tror, ​​at dette papir giver et nyt perspektiv på rutheniumtrichlorid og demonstrerer en ny måde at lede efter signaturer af spinvæsker, " sagde Modic, avisens hovedforfatter.

I årtier, fysikere har grundigt undersøgt ladningen af ​​en elektron, som fører elektricitet, baner vejen for fremskridt inden for elektronik, energi og andre områder. Men elektroner har også en egenskab kaldet spin. Forskere ønsker også at udnytte spin-aspektet af elektroner til teknologi, men spins universelle adfærd er endnu ikke fuldt ud forstået.

Enkelt sagt, elektroner kan opfattes som roterende om en akse, som en top, orienteret i en eller anden retning. I magnetiske materialer, disse spins flugter med hinanden, enten i samme eller modsatte retninger. Kaldes magnetisk bestilling, denne adfærd kan induceres eller undertrykkes af temperatur eller magnetfelt. Når den magnetiske orden er undertrykt, mere eksotiske tilstande af stof kunne opstå, såsom quantum spin væsker.

I jagten på en spin væske, forskerholdet hjemme på rutheniumtrichlorid. Dens honeycomb-lignende struktur, med et spin på hvert sted, er som en magnetisk version af grafen - endnu et varmt emne inden for det kondenserede stofs fysik.

"Ruthenium er meget tungere end kulstof, hvilket resulterer i stærke interaktioner mellem spins, " sagde MagLab-fysiker Arkady Shekhter, en medforfatter på papiret.

Holdet forventede, at disse interaktioner ville øge magnetisk frustration i materialet. Det er en slags "tre firmaer"-scenarie, hvor to spins parrer sig, efterlader den tredje i et magnetisk limbo, som forhindrer magnetisk bestilling. Den frustration, holdet antog, kan føre til en spin flydende tilstand. Deres data endte med at bekræfte deres mistanker.

"Det virker som om, ved lave temperaturer og under et påført magnetfelt, rutheniumtrichlorid viser tegn på den adfærd, vi leder efter, " sagde Modic. "Spinene orienterer sig ikke blot afhængigt af justeringen af ​​tilstødende spins, men er snarere dynamiske - som hvirvlende vandmolekyler - mens de opretholder en vis korrelation mellem dem."

Resultaterne blev muliggjort af en ny teknik, som holdet udviklede kaldet resonant torsionsmagnetometri, som præcist måler elektronspins adfærd i høje magnetiske felter og kan føre til mange andre nye indsigter om magnetiske materialer, sagde Modic.

"Vi har ikke rigtig arbejdshesteteknikkerne eller det analytiske maskineri til at studere excitationerne af elektronspin, ligesom vi gør for afgiftssystemer, " sagde Modic. "De metoder, der findes, kræver typisk store stikprøvestørrelser, som muligvis ikke er tilgængelig. Vores teknik er meget følsom og virker på små, sarte prøver. Dette kunne være en game-changer for dette forskningsområde."

Modic udviklede teknikken som postdoc-forsker og arbejdede derefter sammen med MagLab-fysikerne Shekhter og Ross McDonald, en anden medforfatter på papiret, at måle rutheniumtrichlorid i høje magnetiske felter.

Deres teknik involverede at montere prøver af rutheniumtrichlorid på en udkrager på størrelse med en hårstrå. De genbrugte en stemmegaffel i kvarts - svarende til den i et ur med kvartskrystal - for at vibrere udkraget i et magnetfelt. I stedet for at bruge det til at fortælle tiden præcist, de målte frekvensen af ​​vibrationer for at studere interaktionen mellem spins i rutheniumtrichlorid og det påførte magnetfelt. De udførte deres målinger i to kraftige magneter på National MagLab.

"Det smukke ved vores tilgang er, at det er et relativt simpelt setup, hvilket gjorde det muligt for os at udføre vores målinger i både en 35-tesla resistiv magnet og en 65-tesla pulserende feltmagnet, " sagde Modic.

Det næste trin i forskningen vil være at studere dette system i MagLabs verdensrekord 100 tesla pulserende magnet.

"Det høje af et magnetfelt skulle give os mulighed for direkte at observere undertrykkelsen af ​​spin-væsketilstanden, som vil hjælpe os med at lære endnu mere om denne forbindelses indre funktion, " sagde Shekhter.