Необичайно квантово състояние на материята, наблюдавано за първи път


Необичайно квантово състояние на материята, наблюдавано за първи път

Проба от фрустрирания магнит на основата на церий, Ce2Zr2О7, проектирана в лабораторията на Андреа Бианки. Кредит: Университет на Монреал

Не всеки ден някой се натъква на ново състояние на материята в квантовата физика, научната област, посветена на описанието на поведението на атомните и субатомните частици, за да се изяснят техните свойства.

И все пак това е точно това, което е направил международен екип от изследователи, включващ Андреа Бианки, професор по физика в Университета на Монреал и изследовател в Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, и неговите ученици Авнер Фитерман и Джереми Дюдемейн.

В скорошна статия, публикувана в научно списаниеФизически преглед Xизследователите документират “квантово спиново течно основно състояние” в a магнитен материал създадена в лабораторията на Бианки: Ce2Zr2О7съединение, съставено от церий, цирконий и кислород.

Като течност, заключена вътре в изключително студено твърдо вещество

В квантова физика, спинът е вътрешно свойство на електроните, свързано с тяхното въртене. Именно въртенето придава на материала в магнита неговите магнитни свойства.

При някои материали въртенето води до неорганизирана структура, подобна на тази на молекулите в течност, откъдето идва и изразът „спин течност“.

Като цяло материалът става по-дезорганизиран с повишаване на температурата му. Такъв е случаят например, когато водата се превръща в пара. Но основната характеристика на въртящите се течности е, че те остават неорганизирани дори когато са охладени до абсолютна нула (–273°C).

Центробежните течности остават неорганизирани, тъй като посоката на въртене продължава да се колебае, докато материалът се охлажда, вместо да се стабилизира в в твърдо състояниекакто е в конвенционален магнит, в който всички завъртания са подравнени.

Изкуството на „разочароващите“ електрони

Представете си електрон като малък компас, който сочи нагоре или надолу. При конвенционалните магнити завъртанията на електроните са ориентирани в една и съща посока, нагоре или надолу, създавайки това, което е известно като “феромагнитна фаза”. Това е, което държи снимките и бележки закачени в хладилника ви.

Но в квантовите спинови течности електроните са разположени в триъгълна решетка и образуват „ménage à trois“, характеризиращ се с интензивна турбулентност, която пречи на техния ред. Резултатът е заплетена вълнова функция и няма магнитен ред.

„Когато се добави трети електрон, завъртанията на електроните не могат да се подравнят, защото двата съседни електрона винаги трябва да имат противоположни завъртания, създавайки това, което наричаме магнитна фрустрация“, обясни Бианки. “Това генерира възбуждения, които поддържат разстройството на завъртанията и следователно течното състояние, дори при много ниски температури.”

И така, как са добавили трети електрон и са причинили такова разочарование?

Създаване на тройка

Въведете разочарования магнит Ce2Zr2О7 създадена от Бианки в неговата лаборатория. Към неговия вече дълъг списък с постижения в развитието усъвършенствани материали подобно на свръхпроводниците, сега можем да добавим „майстор на изкуството на разочароващите магнити“.

Ce2Zr2О7 е материал на базата на церий с магнитни свойства. „Съществуването на това съединение беше известно“, каза Бианки. “Нашият пробив го създаде в уникално чиста форма. Използвахме проби, разтопени в оптична пещ, за да произведем почти перфектно триъгълно подреждане на атомите и след това проверихме квантовото състояние.”

Именно този почти перфектен триъгълник позволи на Бианки и неговия екип в UdeM да създадат магнитна фрустрация в Ce2Zr2О7. Работейки с изследователи от университетите Макмастър и Колорадо, Националната лаборатория в Лос Аламос и Института Макс Планк за физика на сложната система в Дрезден, Германия, те измерват магнитната дифузия на съединението.

„Нашите измервания показаха функция на припокриващи се частици – следователно няма пикове на Браг – ясен знак за отсъствието на класически магнитен ред“, каза Бианки. „Наблюдавахме също разпределение на завъртания с непрекъснато флуктуиращи посоки, което е характерно за спиновите течности и магнитната фрустрация. Това показва, че материалът, който създадохме, се държи като истинска въртяща се течност при ниски температури.“

От мечта към реалност

След като потвърди тези наблюдения с компютърни симулацииекипът заключи, че те наистина са били свидетели на невиждано досега квантово състояние.

„Идентифицирането на ново квантово състояние на материята е сбъдната мечта за всеки физик“, каза Бианки. “Нашият материал е революционен, защото ние сме първите, които показват, че наистина може да се представи като въртяща се течност. Това откритие може да отвори вратата към нови подходи в проектирането на квантови компютри.”

Разочаровани магнити с две думи

Магнетизмът е колективно явление, при което електроните в даден материал се въртят в една и съща посока. Ежедневен пример е феромагнетикът, който дължи своите магнитни свойства на подравняването на завъртанията. Съседните електрони също могат да се въртят в противоположни посоки. В този случай завъртанията все още имат добре дефинирани посоки, но няма намагнитване. Разочарованите магнити са разочаровани, защото съседните електрони се опитват да ориентират своите завъртания в противоположни посоки и когато се окажат в триъгълна решетка, те вече не могат да се установят на обща, стабилна подредба. Резултатът: разочарован магнит.


Изчислителното изследване потвърждава първата 3D квантова спин течност


Повече информация:
EM Smith et al, Случай за U(1)π квантово спиново течно състояние на земята в диполно-октуполния пирохлор Ce2Zr2О7, Физически преглед X (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Предоставена от
Университет на Монреал


Цитат: Необичайно квантово състояние на материята, наблюдавано за първи път (2022 г., 11 май), извлечено на 11 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.