Neutroner samler et 40-årigt puslespil bag den mystiske magnetisme af jernjod

Avancerede materialer med mere nye egenskaber udvikles næsten altid ved at tilføje flere elementer til listen over ingredienser. Men kvanteforskning tyder på, at nogle enklere materialer måske allerede har avancerede egenskaber, som forskerne bare ikke kunne se, indtil nu.

Forskere fra Georgia Tech og University of Tennessee-Knoxville afslørede skjult og uventet kvanteadfærd i et ret simpelt jern-iodid-materiale (FeI ₂ ), der blev opdaget for næsten et århundrede siden. Den nye forskningsindsigt i materialets adfærd blev aktiveret ved hjælp af en kombination af neutronspredningsforsøg og teoretiske fysikberegninger ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Holdets resultater - offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik — løser et 40 år gammelt puslespil om materialets mystiske adfærd og kan bruges som et kort til at låse op for en skatkammer af kvantefænomener i andre materialer.

"Vores opdagelse var i høj grad drevet af nysgerrighed, " sagde Xiaojian Bai, avisens første forfatter. Bai fik sin ph.d. ved Georgia Tech og arbejder som postdoktor ved ORNL, hvor han bruger neutroner til at studere magnetiske materialer. "Jeg stødte på dette jern-iodid-materiale i 2019 som en del af mit ph.d.-afhandlingsprojekt. Jeg forsøgte at finde forbindelser med et magnetisk trekantet gitterarrangement, der udviser det, der kaldes 'frustreret magnetisme'."

I almindelige magneter, som køleskabsmagneter, materialets elektroner er arrangeret i en linje som pile, der enten alle peger i samme retning – op eller ned – eller de veksler mellem op og ned. De retninger elektronerne peger kaldes 'spin'. Men i mere komplekse materialer som jern-iodid, elektronerne er arrangeret i et trekantet gitter, hvor de magnetiske kræfter mellem de tre magnetiske momenter er i konflikt og er usikre på, hvilken retning de skal pege - derfor, 'frustreret magnetisme.'

"Mens jeg læste gennem al litteraturen, Jeg lagde mærke til denne forbindelse, jern-iodid, der blev opdaget i 1929 og blev studeret noget intensivt tilbage i 1970'erne og 80'erne, sagde Bai. Dengang, de så noget ejendommeligt, eller ukonventionelle adfærdsformer, men de havde ikke rigtig ressourcerne til fuldt ud at forstå, hvorfor de så det. Så, vi vidste, at der var noget uløst, der var mærkeligt og interessant, og sammenlignet med fyrre år siden, vi har meget mere kraftfulde eksperimentelle værktøjer til rådighed, så vi besluttede at gense dette problem og håbede at give nogle nye indsigter."

Kvantematerialer beskrives ofte som systemer, der udviser eksotisk adfærd og ikke adlyder klassiske fysiklove - som et fast materiale, der opfører sig som en væske, med partikler, der bevæger sig som vand og nægter at fryse eller stopper deres bevægelse selv ved minusgrader. At forstå, hvordan disse eksotiske fænomener fungerer, eller deres underliggende mekanismer, er nøglen til at fremme elektronik og udvikle andre næste generations teknologier.

"I kvantematerialer, to ting er af stor interesse:faser af stof såsom væsker, faste stoffer, og gasser, og excitationer af disse faser, som lydbølger. Tilsvarende spinbølger er excitationer af et magnetisk fast materiale, sagde Martin Mourigal, professor i fysik ved Georgia Tech. "I lang tid, vores søgen i kvantematerialer har været at finde eksotiske faser, men spørgsmålet, vi stillede os selv i denne forskning, er 'Måske er fasen i sig selv ikke tilsyneladende eksotisk, men hvad hvis dens ophidselser er?' Og det er faktisk, hvad vi fandt."

Neutroner er ideelle sonder til at studere magnetisme, fordi de selv fungerer som mikroskopiske magneter og kan bruges til at interagere med og excitere andre magnetiske partikler uden at kompromittere et materiales atomstruktur.

Bai blev introduceret til neutroner, da han var kandidatstuderende hos Mourigal's ved Georgia Tech. Mourigal har været en hyppig neutronspredningsbruger ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) og Spallation Neutron Source (SNS) i flere år, bruge DOE Office of Science brugerfaciliteter til at studere en bred vifte af kvantematerialer og deres forskellige og bizarre adfærd.

Da Bai og Mourigal udsatte jern-iodid-materialet for en stråle af neutroner, de forventede at se en bestemt excitation eller energibånd forbundet med et magnetisk moment fra en enkelt elektron; men i stedet så de ikke én, men to forskellige kvanteudsving, der udgår samtidigt.

"Neutroner gjorde det muligt for os at se denne skjulte udsving meget tydeligt, og vi kunne måle hele dens excitationsspektrum, men vi forstod stadig ikke, hvorfor vi så sådan en unormal adfærd i en tilsyneladende klassisk fase, " sagde Bai.

For svar, de henvendte sig til den teoretiske fysiker Cristian Batista, Lincoln Chair Professor ved University of Tennessee-Knoxville, og vicedirektør for ORNL's Shull Wollan Center - et fælles institut for neutronvidenskab, der giver besøgende forskere yderligere ressourcer og ekspertise til neutronspredning.

Med hjælp fra Batista og hans gruppe, holdet var i stand til matematisk at modellere adfærden af ​​den mystiske kvanteudsving og, efter at have udført yderligere neutroneksperimenter ved hjælp af CORELLI- og SEQUOIA-instrumenterne på SNS, de var i stand til at identificere den mekanisme, der fik det til at dukke op.

"Hvilken teori forudsagde, og hvad vi var i stand til at bekræfte med neutroner, er, at denne eksotiske fluktuation sker, når spin-retningen mellem to elektroner vendes, og deres magnetiske momenter vipper i modsatte retninger, " sagde Batista. "Når neutroner interagerer med elektronernes spin, spindene roterer synkront langs en bestemt retning i rummet. Denne koreografi udløst af neutronspredning skaber en spin-bølge."

Han forklarede, at i forskellige materialer, elektroniske spins kan antage mange forskellige orienteringer og spinne koreografier, der skaber forskellige slags spin-bølger. I kvantemekanik, dette koncept er kendt som "bølge-partikel dualitet, "hvor de nye bølger betragtes som nye partikler og typisk er skjult for neutronspredning under normale forhold.

"I en vis forstand, vi leder efter mørke partikler, " tilføjede Batista. "Vi kan ikke se dem, men vi ved, at de er der, fordi vi kan se deres virkninger, eller de interaktioner, de har med de partikler, vi kan se."

"I kvantemekanikken, der er ingen forskel mellem bølger og partikler. Vi forstår partiklens adfærd baseret på bølgelængden, og det er hvad neutroner tillader os at måle, " sagde Bai.

Mourigal sammenlignede den måde, neutroner registrerer partikler på, med bølger, der bryder omkring sten på havets overflade.

"I stille vand kan vi ikke se klipperne på bunden af ​​havet, før en bølge bevæger sig over det, " sagde Mourigal. "Det var kun ved at skabe så mange bølger som muligt med neutroner, at gennem Cristians teori, Xiaojian var i stand til at identificere klipperne, eller i dette tilfælde, de interaktioner, der gør den skjulte udsving synlig.

Udnyttelse af kvantemagnetisk adfærd har allerede ført til teknologiske fremskridt såsom MRI-maskinen og magnetisk harddisklagring, der katalyserede personlig computer. Mere eksotiske kvantematerialer kan fremskynde den næste teknologiske bølge.

Ud over Bai, Mourigal, og Batista, avisens forfattere inkluderer Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, og Feng Ye.

Siden deres opdagelse, holdet har brugt denne indsigt til at udvikle og teste forudsigelser til et bredere sæt af materialer, som de forventer vil give mere lovende resultater.

"Når vi introducerer flere ingredienser i et materiale, vi øger også potentielle problemer såsom uorden og heterogeniteter. Hvis vi virkelig ønsker at forstå og skabe rene kvantemekaniske systemer baseret på materialer, at gå tilbage til disse simple systemer kan være vigtigere, end vi troede, " sagde Mourigal.

"Så det løser det 40 år gamle puslespil om den mystiske excitation i jern-iodid, " sagde Bai. "Vi har fordelen i dag i udviklingen af ​​store neutronfaciliteter som SNS, der giver os mulighed for dybest set at undersøge hele energi- og momentumrummet i et materiale for at se, hvad der sker med disse eksotiske excitationer.

"Nu hvor vi forstår, hvordan denne eksotiske adfærd fungerer i et relativt simpelt materiale, vi kan forestille os, hvad vi kunne finde i mere komplicerede. Denne nye forståelse har motiveret os, og forhåbentlig vil den motivere det videnskabelige samfund til at undersøge flere af den slags materialer, som helt sikkert vil føre til mere interessant fysik."