Opdagelse af magnetisk flydende krystal:Første direkte observation af spin-quadrupol-momenter i en spin-nematisk fase

Flydende krystal er en tilstand af stof, der udviser egenskaber af både væske og fast stof. Det kan flyde som en væske, mens dets molekyler er justeret som i et fast stof. Flydende krystal er meget udbredt i dag, for eksempel som et kerneelement i LCD-enheder.

Den magnetiske analog af denne slags materiale kaldes den "spin-nematiske fase", hvor spin-momenter spiller rollen som molekylerne. Den er dog endnu ikke blevet observeret direkte på trods af dens forudsigelse for et halvt århundrede siden. Den største udfordring stammer fra det faktum, at de fleste konventionelle eksperimentelle teknikker er ufølsomme over for spin-quadrupoler, som er de definerende træk ved denne spinnematiske fase.

Men nu er det for første gang i verden lykkedes for et hold forskere ledet af professor Kim Bumjoon ved IBS Center for Artificial Low-Dimensional Electronic Systems i Sydkorea direkte at observere spin-quadrupoler. Dette arbejde blev gjort muligt gennem bemærkelsesværdige resultater gennem de sidste årtier inden for udvikling af synkrotronanlæg.

IBS-forskerne fokuserede deres undersøgelse på firkantet gitter iridiumoxid Sr₂ IrO₄ , et materiale, der tidligere er anerkendt for dets antiferromagnetiske dipolære orden ved lave temperaturer. Denne undersøgelse opdagede for nylig sameksistensen af ​​en spin quadrupolar orden, som bliver observerbar gennem dens interferens med den magnetiske orden. Dette interferenssignal blev detekteret af 'cirkulær-dikroisk resonant røntgendiffraktion', en avanceret røntgenteknik, der anvender en cirkulært polariseret røntgenstråle.

Yderligere verifikation af denne opdagelse kom gennem 'polarisationsopløst resonant uelastisk røntgenspredning', hvor de magnetiske excitationer viste sig at afvige væsentligt fra den adfærd, der forventes for dem i konventionelle magneter.

For at fuldføre disse eksperimenter har forskerne i Sydkorea samarbejdet med Argonne National Laboratory i USA for at konstruere en resonant uelastisk røntgenstrålespredningsstrålelinje i Pohang Accelerator Laboratory i løbet af de sidste fire år.

Sidst men ikke mindst brugte forskerne en række optiske teknikker, herunder Raman-spektroskopi og magneto-optisk Kerr-effektmåling, til at vise, at dannelsen af ​​spin-quadrupol-momenterne sker ved højere temperaturer end den magnetiske orden. Inden for dette temperaturområde har iridiumoxidet kun spin-quadrupol-momenter, men ingen magnetisk orden, hvilket realiserer en spinnematisk fase.

Tilsammen er dette den første direkte observation af spin-quadrupol-momenterne i en spin-nematisk fase.

"Denne forskning var gennemførlig, fordi infrastrukturen og mulighederne for røntgeneksperimenter i Sydkorea havde nået et globalt konkurrencedygtigt niveau," siger prof. Kim Bumjoon, tilsvarende forfatter til denne undersøgelse.

"Opdagelsen af ​​den spinnematiske fase har også betydelige implikationer for kvantecomputere og informationsteknologier," tilføjer prof. Cho Gil Young, medforfatter til denne undersøgelse og professor ved Pohang University of Science and Technology.

Et andet spændende aspekt af den spinnematiske fase er dens potentiale for højtemperatursuperledning. I den spinnematiske fase er spindene stærkt sammenfiltrede, hvilket blev foreslået af fysiker P. W. Anderson som en kritisk ingrediens for superledning ved høje temperaturer.

Desuden givet, at iridiumoxid Sr₂ IrO₄ er blevet grundigt undersøgt på grund af dets slående ligheder med det kobberoxid-højtemperatur-superledende system, som giver næring til en voksende interesse for dette materiale som et potentielt nyt højtemperatur-superledende system, såvel som dets relation til den spinnematiske fase.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature .

Flere oplysninger: B. J. Kim, Quantum spin nematic phase in a square-lattice iridate, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Institute for Basic Science