Международен екип от учени за първи път наблюдава ново квантово състояние на материята. Това е „квантово спиново течно основно състояние“ в магнитен материал, наречен Ce2Zr2O7 - съединение, съставено от церий, цирконий и кислород.
В квантовата физика спинът е съществено свойство, влияещо върху подреждането на електроните. В някои материали спинът води до неорганизирана структура, подобна на тази на молекулите в течностите, откъдето идва и изразът „спинова течност“.
Всеки електрон се държи като малък магнит със северен и южен полюс и когато се измерва, отделните завъртания на електрон винаги сочат нагоре или надолу. В повечето ежедневни материали завъртанията сочат нагоре или надолу произволно. Но електроните са антисоциални по природа и това може да ги накара да подредят завъртанията си спрямо съседите си при някои обстоятелства. В магнитите, например, завъртанията са подредени колективно в една и съща посока, а в антиферомагнетиците те са подредени по модел нагоре-надолу, нагоре-надолу.
Въпреки името си, квантовите спинови течности са твърди материали, в които квантовото вплитане и геометричното подреждане на атомите осуетяват естествената тенденция на електроните да се подреждат магнитно един спрямо друг.
С повишаването на температурата на материала той става по-дезорганизиран. Твърдият материал с подредени атоми в кристална решетка, когато се разтопи става с по-хаотични молекули, а когато с повишаваме на температурата достигне газообразно състояние, тогава безпорядъкът е още по-голям.
От друга страна, геометричната фрустрация в квантовата спинова течност е толкова тежка, че електроните се колебаят между квантовите магнитни състояния, без значение колко са студени и остават неорганизирани, дори когато са охладени до абсолютна нула (–273°C).
Поради непрекъснатите флуктуации на посоката на спина, докато материалът се охлажда, спиновата течност остава неорганизирана.
За разлика от конвенционалните магнити, при които спиновете на електроните са ориентирани в една и съща посока - създавайки феромагнитна фаза - електроните в квантовите спинови течности са разположени в триъгълна решетка и образуват "ménage à trois" (любовна тройка). Това „ménage à trois” се характеризира с интензивна турбуленция, която пречи на тяхното подреждане. Резултатът е заплетена вълнова функция и липсва магнитно подреждане.
„Въз основа на всички доказателства, които имаме днес, тази работа потвърждава, че монокристалите на цериевия пирохлор, идентифицирани като кандидат 3D квантови спинови течности през 2019 г., наистина са квантови спинови течности с фракционирани спинови възбуждения“, заявява физикът от университета Райс Андрий Невидомски (Andriy Nevidomskyy).
Присъщото свойство на електроните, което води до магнетизъм , е спин. Всеки електрон се държи като малък магнит със северен и южен полюс и когато се измерва, спиновете на отделните електрони винаги сочат нагоре или надолу. В повечето обичайни материали спиновете сочат нагоре или надолу произволно. Но електроните могат да подредят спиновете си спрямо съседите си при някои обстоятелства. В магнитите например спиновете са подредени колективно в една и съща посока, а в антиферомагнетиците те са подредени по модел нагоре-надолу, нагоре-надолу.
При много ниски температури квантовите ефекти стават по-забележими и това кара електроните да подреждат своите спинове колективно в повечето материали, дори тези, при които спиновете биха сочили в произволни посоки при стайна температура. Квантовите спинови течности са контрапример, където спиновете не сочат в определена посока, без значение колко студен става материалът.
„Когато се добави трети електрон, спиновете на електроните не могат да се подравнят, защото двата съседни електрона винаги трябва да имат противоположни спинове, създавайки това, което наричаме магнитна фрустрация. Това генерира възбуждения, които поддържат разстройството на спиновете и следователно течното състояние, дори при много ниски температури", обяснява Андреа Бианки (Andrea Bianchi), професор по физика в Университета в Монреал.
„Ce2Zr2O7 е материал на базата на церий с магнитни свойства. Съществуването на това съединение бе известно. Нашето постижение бе да го създадем в уникално чиста форма. Използвахме проби, разтопени в оптична пещ, за да произведем почти перфектно триъгълно подреждане на атомите и след това проверихме квантовото му състояние."
Това триъгълно подреждане позволява на учените да създадат магнитна фрустрация в Ce2Zr2O7. Те също така измерват магнитната дифузия на съединението.
„Квантова спинова течност по самата си природа е пример за фракционирано състояние на материята“, разказа Невидомски. „Индивидуалните възбуждения не са преобръщания отгоре надолу или обратно. Те са тези странни, делокализирани обекти, които носят половината от една степен на свобода на спина. Това е като половин спин.”
„Нашите измервания показаха функция на припокриващи се частици – следователно няма пикове на Браг – ясен знак за отсъствието на класически магнитен ред. Наблюдавахме също разпределение на спиновете с непрекъснато флуктуиращи посоки, което е характерно за спиновите течности и магнитната фрустрация. Това показва, че материалът, който създадохме, се държи като истинска течност при ниски температури", разказва Бианки.
След като проверяват наблюденията си с компютърни симулации, учените потвърждават, че наблюдават невиждано досега квантово състояние.
„Идентифицирането на ново квантово състояние на материята е мечта за всеки физик. Нашият материал е революционен, защото ние сме първите, които показват, че наистина може да се представи като спинова течност. Това откритие може да отвори вратата към нови подходи в проектирането на квантови компютри", отбелязва Бианки.
Интересен аспект от изследването е връзката между квантовите спинови течности и експерименталната реализация на магнитни монополи, теоретични магнитни частици с един полюс, предсказани, но ненамерени досега.
„Когато хората говорят за фракциониране, това, което имат предвид, е, че системата се държи така, сякаш физическа частица, като електрон, се разделя на две половини, които се скитат наоколо и след това се рекомбинират някъде по-късно“, обяснява Невидомски. "И в пирохлорни магнити като този, който изследвахме, тези блуждаещи обекти се държат освен това като квантови магнитни монополи."
„Разбира се, в класическата физика никога не може да се изолира само единият край на магнита. Северният и южният монопол винаги идват по двойки. Но в квантовата физика хипотетично могат да съществуват магнитни монополи и квантовите теоретици са ги конструирали преди почти 100 години, за да изследват фундаментални въпроси за квантовата механика."
„Доколкото знаем, магнитните монополи не съществуват в сурова форма в нашата вселена“, коментира Невидомски. „Но се оказва, че фантастична версия на монополи съществува в тези цериево-пирохлорни квантови спинови течности. Един отделен спин създава две фракционирани квазичастици, наречени спинони, които се държат като монополи и се скитат из кристалната решетка."
Изследването също така намира доказателства, че подобните на монопол спинони са създадени по необичаен начин в церий-циркониевия пирохлор. Поради тетраедричното подреждане на магнитните атоми в пирохлора, изследването предполага, че те развиват при ниски температури октополярни магнитни моменти - спиноподобни магнитни квазичастици с осем полюса. Изследването показа, че спинони в материала са произведени както от тези октополярни източници, така и от по-конвенционални, диполярни спинови моменти.
„Нашето моделиране установи точните пропорции на взаимодействията на тези два компонента един с друг“, заявява Невидомски. „Това отваря нова глава в теоретичното разбиране не само на материалите от цериев пирохлор, но и на октополярните квантови спинови течности като цяло."
Справка: E. M. Smith, O. Benton et al. Case for a U(1)π Quantum Spin Liquid Ground State in the Dipole-Octupole Pyrochlore Ce2Zr2O7. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015
Източник:
An unusual quantum state of matter observed for the first time, ТechЕxplorist
Computational sleuthing confirms first 3D quantum spin liquid, Rice University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари