Spin supersolid dukker op i en kvante-antiferromagnet – Physics World

Spin supersolid dukker op i en kvante-antiferromagnet – Physics World

Tidsstempel: 26. januar 2024 kl. 7
Kildeknude: 3084818

Figur, der illustrerer den adiabatiske afkølingsproces af et spin-supersolid sammenlignet med paramagnetisk køling
Figuren illustrerer den adiabatiske afkølingsproces af et spin supersolid sammenlignet med paramagnetisk køling, hvilket fremhæver de unikke egenskaber ved spin supersolid køling. Den trekantede gitterstruktur og eksperimentelle enheder (med NBCP-forbindelser) til adiabatiske magnetokaloriske målinger er også inkluderet i indsætningerne. (Med høflighed: W Li)

Forskere i Kina, Frankrig og Australien har fundet nye beviser for en eksotisk kvantetilstand af stof kaldet et spin-supersolid. Opdagelsen, der er lavet i et antiferromagnetisk materiale med en trekantet atomgitterstruktur, repræsenterer et gennembrud i fundamental fysik og kan også hjælpe med udviklingen af ​​nye køleteknikker, der ikke kræver flydende helium, da materialet også viser en gigantisk magnetokalorisk effekt.

Som deres navn antyder, er supersolider materialer, der flyder uden friktion (som en superfluid), selvom deres komponentpartikler er arrangeret i et krystallinsk gitter (som et fast stof). Som sådan bryder disse materialer to kontinuerlige symmetrier: translationel invarians på grund af den krystallinske orden; og målesymmetri på grund af materialets friktionsfri flow.

Teoretikere forudsagde i 1960'erne, at supersolider skulle eksistere i kvantefaste stoffer med såkaldte mobile bosoniske ledige stillinger - det vil sige huller efterladt, når atomer med heltals spin-værdier bevæger sig gennem det krystallinske gitter. Begyndende i 1980'erne fokuserede eksperimentel forskning på antydninger af, at supersoliditet kunne forekomme i superfluid helium-4. I 2004 rapporterede fysikere ved Pennsylvania State University i USA beviser for supersoliditet i dette materiale. Dog yderligere undersøgelse af de samme forskere afslørede, at de tog fejl, og deres observationer kunne være forklaret på andre måder.

Nyere eksperimenter har vist, at dipolære kvantegasser forlænget i én retning kan gennemgå en faseovergang fra et almindeligt Bose-Einstein-kondensat (BEC) til en tilstand med supersolide egenskaber. Atomer i dipolære gasser har store magnetiske momenter, og det er vekselvirkningerne mellem dem, der giver anledning til supersoliditet i disse systemer.

Lag af beviser

Forskere ledet af Gang Su ved University of Chinese Academy of Sciences (CAS) i Beijing siger nu, at de har fundet den kvantemagnetiske analog af et supersolid i en nyligt syntetiseret antiferromagnet med den kemiske formel Na2BaCo(PO4)2. Denne forbindelse, kendt som NBCP, viser også en gigantisk magnetokalorisk effekt, hvilket betyder, at den opvarmes og afkøles dramatisk, når et eksternt magnetfelt påføres og fjernes.

Su og kolleger Wei Li af Institut for Teoretisk Fysik, CAS; Junsen Xiang , Peijie Sun fra Institut for Fysik, CASOg Wentao Jin at Beihang University udførte deres magnetokaloriske målinger ved temperaturer under 1 K. Den fremragende overensstemmelse mellem deres eksperimentelle data og teoretiske beregninger af supersolid kvantefaseovergange hjalp med at overbevise dem om, at de observerede et nyt spin supersolid.

Yderligere bekræftelse kom fra mikroskopiske beviser, de opnåede ved at udføre neutrondiffraktionseksperimenter på prøver af høj kvalitet af NBCP ved Institut Laue-Langevin i Frankrig og Australian Nuclear Science and Technology Organisation. "Diffraktionstoppene afslørede i-plan tre-subgitter rækkefølge, solid orden og incommensurability i ud-af-planet retning," siger Su. "Sidstnævnte kan relateres til eksistensen af ​​spalteløse Goldstone-tilstande (en form for symmetribrud i bosoner) og understøtter derfor eksistensen af ​​spin-superfluiditet i forbindelsen."

En ny kvantetilstand af stof og en ny kølemekanisme

CAS-teamet valgte at studere NBCP, fordi det udviser stærke lavenergi-spin-udsving, hvilket indikerer en mulig kvantespin-væsketilstand. Det er også en antiferromagnet, hvilket betyder, at i modsætning til konventionelle ferromagneter, som har parallelle elektronspin, har dens elektronspin tendens til at justere antiparallelt med hinanden. Denne anti-alignment fører til stærke interaktioner mellem spins.

Efter at et af teamets medlemmer foreslog, at der kunne eksistere et spin-supersolid i NBCP, spurgte Li og Gang deres eksperimenterende kolleger Xiang, Jin og Sun, om det var muligt at lede efter nye kvantespin-tilstande i forbindelsen. "De gjorde og observerede den nye kvantetilstand af stof, spin supersolid," husker Li.

Udover at afsløre en ny kvantetilstand af stof, kan opdagelsen også føre til nye helium-fri sub-Kelvin afkølingsmetoder. Disse er meget eftertragtede til blandt andet materialevidenskab, kvanteteknologi og rumapplikationer, fortæller Li Fysik verden.

Li forklarer, at der i øjeblikket er to hovedmåder til at afkøle materialer til få Kelvin-temperaturer. Den første er at bruge helium, som bliver til en væske ved temperaturer under 4.15 K. Den anden er at udnytte den magnetokaloriske effekt, hvor visse materialer ændrer temperatur under påvirkning af et påført magnetfelt. Begge disse teknikker har deres ulemper: Helium er sjældent og derfor dyrt, mens den særlige klasse af forbindelser, der anvendes til magnetokalorisk køling (kendt som hydratiserede paramagnetiske salte) har lav magnetisk entropitæthed, dårlig kemisk stabilitet og lav varmeledningsevne. Li hævder dog, at den gigantiske magnetokaloriske effekt i det nyopdagede spin-supersolid kunne "effektivt overvinde disse ulemper" ved at udnytte kollektive spin-excitationer ved lave energier.

Leder efter andre spin supersolider

Forskerne forsøger nu at opnå yderligere dynamisk bevis for spin-supersoliditet i NBCP. Til dette formål siger Jin, at de udfører uelastiske neutronspredningsmålinger for at undersøge Goldstone-tilstandene forbundet med spin superfluid-rækkefølgen. De planlægger også at udføre polariserede neutrondiffraktionseksperimenter for yderligere at styrke deres resultater.

Endelig undersøger holdet andre trekantede gitterforbindelser i et forsøg på at identificere yderligere spin-supersolid-tilstande eller andre eksotiske spin-tilstande. "Ved at gøre det håber vi bedre at forstå de underliggende fysiske fænomener, der giver anledning til disse spændende kvantefaser af stof," siger Su.

Deres nuværende undersøgelse er detaljeret i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden