Magnetisk kvantemateriale udvider platformen til at undersøge næste generations informationsteknologier

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory brugte neutronspredning til at bestemme, om et specifikt materiales atomare struktur kunne være vært for en ny stoftilstand kaldet en spiral-spinvæske. Ved at spore små magnetiske øjeblikke kendt som "spin" på honeycomb-gitteret af en lagdelt jerntrichloridmagnet, fandt holdet det første 2D-system til at være vært for en spiral-spin-væske.

Opdagelsen giver et testleje for fremtidige studier af fysikfænomener, der kan drive næste generations informationsteknologier. Disse omfatter fraktoner eller kollektive kvantificerede vibrationer, der kan vise sig lovende inden for kvanteberegning, og skyrmioner eller nye magnetiske spin-teksturer, der kan fremme datalagring med høj tæthed.

"Materialer, der hoster spiral-spinvæsker er særligt spændende på grund af deres potentiale til at blive brugt til at generere kvantespinvæsker, spin-teksturer og frakton-excitationer," sagde ORNL's Shang Gao, som ledede undersøgelsen offentliggjort i Physical Review Letters .

En langvarig teori forudsagde, at honeycomb-gitteret kan være vært for en spiral-spin-væske - en ny fase af stof, hvor spins danner fluktuerende proptrækker-lignende strukturer.

Alligevel, indtil denne undersøgelse, havde eksperimentelt bevis for denne fase i et 2D-system manglet. Et 2D-system omfatter et lagdelt krystallinsk materiale, hvor interaktionerne er stærkere i plan end i stablingsretningen.

Gao identificerede jerntrichlorid som en lovende platform til at teste teorien, som blev foreslået for mere end ti år siden. Han og medforfatter Andrew Christianson fra ORNL henvendte sig til Michael McGuire, også fra ORNL, som har arbejdet meget med at dyrke og studere 2D-materialer, og spurgte, om han ville syntetisere og karakterisere en prøve af jerntrichlorid til neutrondiffraktionsmålinger. Ligesom 2D-grafenlag findes i bulkgrafit som bikagegitter af rent kulstof, eksisterer 2D-jernlag i bulkjerntrichlorid som 2D-bikagelag. "Tidligere rapporter antydede, at dette interessante honeycomb-materiale kunne vise kompleks magnetisk adfærd ved lave temperaturer," sagde McGuire.

"Hvert bikagelag af jern har kloratomer over og under sig, hvilket gør klor-jern-klorplader," sagde McGuire. "Kloratomerne på toppen af ​​en plade interagerer meget svagt med kloratomerne på bunden af ​​den næste plade gennem van der Waals-binding. Denne svage binding gør, at materialer som denne let kan skrælles fra hinanden i meget tynde lag, ofte ned til en enkelt plade. . Dette er nyttigt til at udvikle enheder og forstå udviklingen af ​​kvantefysik fra tre dimensioner til to dimensioner."

I kvantematerialer kan elektronspin opføre sig kollektivt og eksotisk. Hvis et spin bevæger sig, reagerer alle - en sammenfiltret tilstand Einstein kaldet "uhyggelig handling på afstand." Systemet forbliver i en tilstand af frustration - en væske, der bevarer uorden, fordi elektronspin konstant ændrer retning, hvilket tvinger andre sammenfiltrede elektroner til at svinge som reaktion.

De første neutrondiffraktionsundersøgelser af ferrichloridkrystaller blev udført på ORNL for 60 år siden. I dag muliggør ORNL's omfattende ekspertise inden for materialesyntese, billeddannelse, neutronspredning, teori, simulering og beregning banebrydende udforskning af magnetiske kvantematerialer, der driver udviklingen af ​​næste generations teknologier til informationssikkerhed og lagring.

Kortlægning af spin-bevægelser i spiralspinvæsken blev muliggjort af eksperter og værktøjer ved Spallation Neutron Source og High Flux Isotope Reactor, DOE Office of Science brugerfaciliteter på ORNL. ORNL medforfattere var afgørende for succesen med neutronspredningseksperimenterne:Clarina dela Cruz, som ledede eksperimenter ved hjælp af HFIR's POWDER diffraktometer; Yaohua Liu, der ledede eksperimenter med SNS's CORELLI-spektrometer; Matthias Frontzek, der ledede eksperimenter, der involverede HFIR's WAND ² diffraktometer; Matthew Stone, der ledede eksperimenter med SNS's SEQUOIA-spektrometer; og Douglas Abernathy, der ledede eksperimenter med SNS's ARCS-spektrometer.

"Neutronspredningsdataene fra vores målinger ved SNS og HFIR gav overbevisende beviser for en spiralspredningsvæskefase," sagde Gao.

"Neutronspredningseksperimenterne målte, hvordan neutronerne udveksler energi og momentum med prøven, hvilket gjorde det muligt at udlede de magnetiske egenskaber," sagde medforfatter Matthew Stone. Han beskrev den magnetiske struktur af en spiralspindvæske:"Det ligner et topografisk kort over en gruppe bjerge med en flok ringe, der går udad. Hvis du skulle gå langs en ring, ville alle spin pege i samme retning. Men hvis du går udad og krydser forskellige ringe, vil du se disse spin begynde at rotere om deres akser. Det er spiralen."

"Vores undersøgelse viser, at konceptet med en spiral-spinvæske er levedygtigt for den brede klasse af honeycomb-gittermaterialer," sagde medforfatter Andrew Christianson. "Det giver fællesskabet en ny rute til at udforske spin-teksturer og nye excitationer, såsom fraktoner, som derefter kan bruges i fremtidige applikationer, såsom kvanteberegning."

Titlen på papiret er "Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice." + Udforsk yderligere

Forsker bruger HFIR til at udforske den mystiske verden af ​​kvantespin