Et nyt kandidatmateriale til kvantespinvæsker

I 1973, fysiker og senere nobelpristager Philip W. Anderson foreslog en bizar materietilstand:quantum spin liquid (QSL). I modsætning til de daglige væsker, vi kender, QSL har faktisk at gøre med magnetisme - og magnetisme har at gøre med spin.

Uordnet elektronspin producerer QSL'er

Hvad gør en magnet? Det var et langvarigt mysterium, men i dag ved vi endelig, at magnetisme opstår fra en ejendommelig egenskab ved subatomare partikler, som elektroner. Denne ejendom kaldes "spin, " og den bedste - men alligevel groft utilstrækkelige - måde at tænke det på er som et barns snurretop-legetøj.

Det, der er vigtigt for magnetisme, er, at spin gør hver eneste af et materiales milliarder af elektroner til en lille magnet med sin egen magnetiske "retning" (tænk nord- og sydpolen på en magnet). Men elektronspindene er ikke isolerede; de interagerer med hinanden på forskellige måder, indtil de stabiliserer sig for at danne forskellige magnetiske tilstande, og dermed give materialet de tilhører magnetiske egenskaber.

I en konventionel magnet, de interagerende spins stabiliseres, og de magnetiske retninger af hver elektron justeres. Dette resulterer i en stabil formation.

Men i det, der er kendt som en "frustreret" magnet, elektronspindene kan ikke stabilisere sig i samme retning. I stedet, de svinger konstant som en væske - deraf navnet "kvantespinvæske".

Kvantespinvæsker i fremtidige teknologier

Det spændende ved QSL'er er, at de kan bruges i en række applikationer. Fordi de kommer i forskellige varianter med forskellige egenskaber, QSL'er kan bruges i kvanteberegning, telekommunikation, superledere, spintronics (en variation af elektronik, der bruger elektronspin i stedet for strøm), og en lang række andre kvantebaserede teknologier.

Men før man udnytter dem, vi skal først få en solid forståelse af QSL -tilstande. At gøre dette, forskere er nødt til at finde måder at producere QSL'er på efterspørgsel - en opgave, der har vist sig vanskelig indtil videre, med kun få materialer på tilbud som QSL-kandidater.

Et komplekst materiale kan løse et komplekst problem

Udgiver i PNAS , videnskabsmænd ledet af Péter Szirmai og Bálint Náfrádi ved László Forrós laboratorium på EPFLs School of Basic Sciences har med succes produceret og studeret en QSL i et meget originalt materiale kendt som EDT-BCO. Systemet blev designet og syntetiseret af gruppen af ​​Patrick Batail ved Université d'Angers (CNRS).

Strukturen i EDT-BCO er det, der gør det muligt at skabe en QSL. Elektronspindene i EDT-BCO danner trekantet organiserede dimerer, som hver har et spin-1/2 magnetisk moment, hvilket betyder, at elektronen skal rotere fuldt ud to gange for at vende tilbage til sin oprindelige konfiguration. Lagene af spin-1/2-dimerer adskilles med en undergitter af carboxylatanioner centreret af en chiral bicyclooctan. Anionerne kaldes "rotorer", fordi de har konformationelle og roterende frihedsgrader.

Den unikke rotorkomponent i et magnetisk system gør materialet specielt blandt QSL -kandidater, repræsenterer en ny materiel familie. "Den subtile forstyrrelse fremkaldt af rotorkomponenterne introducerer et nyt håndtag på spin-systemet, " siger Szirmai.

Forskerne og deres samarbejdspartnere brugte et arsenal af metoder til at udforske EDT-BCO som en QSL-materialekandidat:beregninger af tæthedsfunktionsteori, højfrekvente elektronspin-resonansmålinger (et varemærke tilhørende Forrós laboratorium), kernemagnetisk resonans, og myonspinspektroskopi. Alle disse teknikker udforsker de magnetiske egenskaber ved EDT-BCO fra forskellige vinkler.

Alle teknikkerne bekræftede fraværet af langdistancemagnetisk orden og fremkomsten af ​​en QSL. Kort sagt, EDT-BCO slutter sig officielt til den begrænsede række af QSL-materialer og tager os et skridt videre ind i den næste generation af teknologier. Som Bálint Náfrádi udtrykker det:"Ud over den fremragende demonstration af QSL -staten, vores arbejde er yderst relevant, fordi det giver et værktøj til at opnå yderligere QSL-materialer via specialdesignede funktionelle rotormolekyler."