Незвичайний квантовий стан матерії спостерігається вперше

Незвичайний квантовий стан матерії спостерігається вперше


2Zr2O7, розробленого в лабораторії Андреа Б’янкі. Авторство: Монреальський університет” width=”503″ height=”530″/>

Зразок розбитого магніту на основі церію, Ce2Zr2О7, розроблений в лабораторії Андреа Бьянкі. Авторство: Монреальський університет

Не кожен день хтось стикається з новим станом матерії в квантовій фізиці, науковій галузі, присвяченій опису поведінки атомних і субатомних частинок з метою з’ясування їх властивостей.

Але саме це зробила міжнародна команда дослідників, до складу якої входять Андреа Бьянкі, професор фізики Монреальського університету і дослідник Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, а також його учні Авнер Фіттерман і Жеремі Дюдемен.

У нещодавній статті, опублікованій в науковому журналі Фізичний огляд Xдослідники документують «квантовий спиновий рідкий основний стан» у магнітному матеріалі, створеному в лабораторії Бьянкі: Ce2Zr2О7сполука, що складається з церію, цирконію та кисню.

Як рідина, замкнена всередині надзвичайно холодного твердого тіла

У квантовій фізиці спін — це внутрішня властивість електронів, пов’язана з їх обертанням. Саме спін надає матеріалу в магніті його магнітні властивості.

У деяких матеріалах спін призводить до неорганізованої структури, подібної до структури молекул у рідині, звідси й вираз «спінова рідина».

Загалом, матеріал стає дезорганізованим, коли його температура підвищується. Так буває, наприклад, коли вода перетворюється на пару. Але головною характеристикою спінових рідин є те, що вони залишаються неорганізованими навіть при охолодженні до абсолютного нуля (–273°C).

Спінові рідини залишаються неорганізованими, оскільки напрямок обертання продовжує коливатися, коли матеріал охолоджується, а не стабілізується в твердому стані, як це відбувається у звичайному магніті, в якому всі спіни вирівняні.

Мистецтво «розчаровувати» електрони

Уявіть собі електрон у вигляді крихітного компаса, який вказує вгору або вниз. У звичайних магнітах спіни електронів орієнтовані в одному напрямку, вгору або вниз, створюючи так звану «феромагнітну фазу». Завдяки цьому фотографії та нотатки зберігаються у вашому холодильнику.

Але в рідинах з квантовими спінами електрони розташовані в трикутній решітці і утворюють «ménage à trois», що характеризується інтенсивною турбулентністю, яка заважає їхньому порядку. Результатом є заплутана хвильова функція і відсутність магнітного порядку.

«Коли додається третій електрон, спіни електронів не можуть вирівнятися, тому що два сусідні електрони завжди повинні мати протилежні спіни, створюючи те, що ми називаємо магнітною фрустрацією», — пояснив Біанкі. «Це породжує збудження, які підтримують розлад спінів і, отже, рідкий стан навіть при дуже низьких температурах».

То як вони додали третій електрон і викликали таке розчарування?

Створення ménage à triis

Введіть розчарований магніт Ce2Zr2О7 створений Бьянкі в його лабораторії. До його і без того довгого списку досягнень у розробці передових матеріалів, таких як надпровідники, тепер ми можемо додати «майстра мистецтва розчаровуючих магнітів».

Ce2Zr2О7 це матеріал на основі церію з магнітними властивостями. «Існування цієї сполуки було відомо», – сказав Бьянкі. «Нашим проривом було створення його в унікально чистій формі. Ми використовували зразки, розплавлені в оптичній печі, щоб створити майже ідеальне трикутне розташування атомів, а потім перевірили квантовий стан».

Саме цей майже ідеальний трикутник дозволив Бьянкі та його команді в UdeM створити магнітне розчарування в Ce2Zr2О7. Працюючи з дослідниками з університетів Макмастера та штату Колорадо, Лос-Аламосської національної лабораторії та Інституту фізики складних систем Макса Планка в Дрездені, Німеччина, вони виміряли магнітну дифузію сполуки.

«Наші вимірювання показали, що функція частинок перекривається — отже, немає піків Брегга — явна ознака відсутності класичного магнітного порядку», — сказав Бьянкі. «Ми також спостерігали розподіл спінів з безперервно коливаючимися напрямками, що характерно для спінових рідин і магнітної фрустрації. Це вказує на те, що створений нами матеріал поводиться як справжня спінова рідина при низьких температурах».

Від мрії до реальності

Підтвердивши ці спостереження за допомогою комп’ютерного моделювання, команда прийшла до висновку, що вони дійсно спостерігали ніколи раніше не бачений квантовий стан.

«Виявлення нового квантового стану матерії є мрією кожного фізика», — сказав Бьянкі. «Наш матеріал є революційним, тому що ми перші, хто показав, що він дійсно може бути у вигляді спінової рідини. Це відкриття може відкрити двері для нових підходів до проектування квантових комп’ютерів».

Розчаровані магніти в двох словах

Магнетизм — це колективне явище, при якому електрони в матеріалі обертаються в одному напрямку. Повсякденним прикладом є феромагнетик, який зобов’язаний своїми магнітними властивостями вирівнюванню спінів. Сусідні електрони також можуть обертатися в протилежних напрямках. У цьому випадку спіни все ще мають чітко визначені напрямки, але немає намагніченості. Розчаровані магніти розчаровані, тому що сусідні електрони намагаються орієнтувати свої спіни в протилежних напрямках, а коли вони опиняються в трикутній решітці, вони більше не можуть влаштуватися на загальну, стабільну структуру. Результат: розчарований магніт.


Обчислювальна розвідка підтверджує першу тривимірну квантову спінову рідину


Більше інформації:
Е. М. Сміт та ін., Випадок для U(1)π квантової спінової рідини основного стану в дипольно-октупольному пірохлорі Ce2Zr2О7,Фізичний огляд X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Надано Монреальським університетом

Цитування: Незвичайний квантовий стан матерії, що спостерігається вперше (2022, 11 травня), отримано 11 травня 2022 року з https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

Цей документ є об’єктом авторського права. За винятком будь-яких чесних відносин з метою приватного вивчення або дослідження, жодна частина не може бути відтворена без письмового дозволу. Вміст надається виключно в інформаційних цілях.





Source link

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.