22 май 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Необичайно квантово състояние на материята е наблюдавано за първи път

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 13 май 2022 в 00:01 113110
Американски и немски физици откриха доказателства, че кристалите от церий-циркониев пирохлор са „октополярни квантови спинови течности“, в които октополярните магнитни моменти (червени и сини) допринасят за фракционализирания магнетизъм. Кредит: A. Nevidomskyy/Rice University

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.

Спиновата течност

Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята; известни са само няколко примера за такива материали. Спиновата течност е много рядко магнитно състояние на материята - известни са само няколко примера за такива материали.

Какво представляват спиновете?

Всички твърди тела са изградени от атоми - ядра и електрони. В много вещества електроните са локализирани, тоест всеки електрон е разположен до своя атом. Тези вещества са изолатори. Но въпреки това електроните в тях имат допълнителна квантова степен на свобода - спин. Обикновено може да изглежда 'нагоре' или 'надолу', има стойност от -1/2 и +1/2. Освен тези две основни състояния съществува и суперпозиция (припокриване), която може да се опише така, сякаш спинът гледа и в някаква друга посока. Ако веществото е с висока температура, тогава спиновете на различните атоми сочат в различни посоки. Но те взаимодействат помежду си и затова се обръщат много бързо.

При ниски температури, в вещества с локализирани електрони, посоките на спиновете обикновено са подредени. Това се дължи на факта, че спиновете взаимодействат помежду си и "искат" да намалят енергията на взаимодействието. В зависимост от това как е подредена кристалната решетка и това взаимодействие между спиновете, могат да възникнат различни видове подреждане.

Подреждане на спиновете във феромагнити

Да кажем, че ако всички спинове сочат в една и съща посока, тогава получаваме феромагнит. Може да се намагнетизира дори при липса на магнитно поле. Ако гърбовете се редуват - гледайки нагоре и надолу - получаваме антиферомагнит. Подреждането може да бъде още по-сложно: на триъгълна решетка 1/3 от завъртанията могат да бъдат обърнати в едната посока, 1/3 в другата и 1/3 в третата. Има спираловидни подредби и много други възможности.

И ако температурата е достатъчно висока, тогава спиновете не могат да бъдат подредени?

Ако температурата е по-голяма от енергията на взаимодействие между спиновете, тогава в първото приближение те изглеждат в произволна посока.

Подреждане на спиновете в антиферомагнетици

Можем да кажем, че ситуацията, когато спиновете са подредени, е аналогична на твърдо тяло. Така че, при висока температура, молекулите на течност или газ се движат произволно, а при ниска температура те се подреждат в кристал. Материал с висока температура и без подреждане на спиновете, иначе се нарича парамагнит, той е аналог на газ, а материал при ниска температура, с подредени спинове, е аналог на твърдо вещество.

Какво е спинова течност?

Спиновата течност обикновено съответства на състоянието на тялото при ниска температура, тоест когато температурата е много по-ниска от енергията на взаимодействие. Но за разлика от повечето материали, спиновата течност не се подреждат дори при свръхниски температури. Вместо това те образуват колективно вплетени състояния. Това е квантов феномен.

Как работи това вплитане?

Зависи от детайлите на спиновото взаимодействие. Да речем, че имаме два спина, които си взаимодействат антиферомагнитно. Те се опитват да се ориентират в посока, обратна един на друг, но тази посока не е дефинирана. Например първият може да гледа нагоре, а вторият надолу и това състояние е в суперпозиция с другото, когато първият гледа надолу, а вторият нагоре.

Ако вземем не два спина, а цяла спинова верига с антиферомагнитно взаимодействие, тогава спиновете ще се опитват да повторят ситуацията по-горе във всяка двойка - както със съседа отляво, така и със съседа отдясно. Резултатът е нещо доста сложно. Можем да се каже, че състоянието във веригата на спиновете е на границата между реда и безпорядъка.

Пример за решетка на Кагоме 

Ако вземем двумерния случай, тогава всичко зависи от решетката. В повечето случаи спиновете се подреждат. Но има една решетка, в която няма подреждане в случай на обичайно взаимодействие.

Това е решетката на Кагоме, на която спиновете образуват спинова течност.

Открити ли са вещества, които отговарят на тази решетка?

Нужни бяха десетилетия, за да се намери такова вещество - спинова течност. Това е хербертсмитит и два други органични материала. Първият от тях има кристална решетка - Кагоме, а последните две - триъгълна. Течността върху тях се получава с други свойства.

Вляво: Хербертсмитит кристална решетка (M. R. Norman, arXiv.org, 2016), вдясно: Хербертсмитит, минерал с кристална решетка от типа Кагоме, в който за първи път е открито състоянието спинова течност. Формула на веществото: ZnCu3 (OH) 6Cl2

За триизмерния случай изчисленията са непосилни - нужен е квантов компютър.

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


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.