Το υπερστερεό Spin εμφανίζεται σε έναν κβαντικό αντισιδηρομαγνήτη - Physics World

Ερευνητές στην Κίνα, τη Γαλλία και την Αυστραλία βρήκαν νέα στοιχεία για μια εξωτική κβαντική κατάσταση της ύλης που ονομάζεται υπερστερεό σπιν. Η ανακάλυψη, που έγινε σε ένα αντισιδηρομαγνητικό υλικό με τριγωνική δομή ατομικού πλέγματος, αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη στη θεμελιώδη φυσική και μπορεί επίσης να βοηθήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνικών ψύξης που δεν απαιτούν υγρό ήλιο, καθώς το υλικό παρουσιάζει επίσης ένα γιγάντιο μαγνητοθερμιδικό αποτέλεσμα.

Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, τα υπερστερεά είναι υλικά που ρέουν χωρίς τριβή (όπως ένα υπερρευστό) παρόλο που τα συστατικά τους σωματίδια είναι διατεταγμένα σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα (όπως ένα στερεό). Ως εκ τούτου, αυτά τα υλικά σπάζουν δύο συνεχείς συμμετρίες: μεταφραστική αμετάβλητη, λόγω της κρυσταλλικής τάξης. και συμμετρία μετρητή, λόγω της ροής του υλικού χωρίς τριβή.

Οι θεωρητικοί προέβλεψαν τη δεκαετία του 1960 ότι τα υπερστερεά θα πρέπει να υπάρχουν σε κβαντικά στερεά με τα λεγόμενα κινητά κενά μποζονίων – δηλαδή, κενά που αφήνονται πίσω καθώς άτομα με ακέραιες τιμές σπιν κινούνται μέσα από το κρυσταλλικό πλέγμα. Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1980, η πειραματική έρευνα επικεντρώθηκε σε υπαινιγμούς ότι μπορεί να εμφανιστεί υπερστερεότητα στο υπερρευστό ήλιο-4. Το 2004, φυσικοί στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στις ΗΠΑ ανέφεραν στοιχεία για υπερστερεότητα σε αυτό το υλικό. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα από τους ίδιους ερευνητές αποκάλυψε ότι έκαναν λάθος, και οι παρατηρήσεις τους θα μπορούσαν να είναι εξηγείται με άλλους τρόπους.

Πιο πρόσφατα πειράματα έχουν δείξει ότι τα διπολικά κβαντικά αέρια που επιμηκύνονται προς μία κατεύθυνση μπορούν να υποστούν μια μετάβαση φάσης από ένα κανονικό συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) σε μια κατάσταση με υπερστερεές ιδιότητες. Τα άτομα στα διπολικά αέρια έχουν μεγάλες μαγνητικές ροπές και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους είναι που προκαλούν υπερστερεότητα σε αυτά τα συστήματα.

Στρώματα αποδεικτικών στοιχείων

Ερευνητές με επικεφαλής τον Συμμορία Σου κατά τη Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS) στο Πεκίνο λένε τώρα ότι βρήκαν το κβαντικό μαγνητικό ανάλογο ενός υπερστερεού σε έναν πρόσφατα συντιθέμενο αντισιδηρομαγνήτη με τον χημικό τύπο Na₂BaCo(PO₄)₂. Αυτή η ένωση, γνωστή ως NBCP, εμφανίζει επίσης ένα γιγάντιο μαγνητοθερμιδικό αποτέλεσμα, που σημαίνει ότι θερμαίνεται και ψύχεται δραματικά όταν εφαρμόζεται και αφαιρείται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Σου και συνεργάτες Γουι Λι του Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής, CAS; Junsen Xiang και Peijie Sun από το Ινστιτούτο Φυσικής, CAS? Και Wentao Jin at Πανεπιστήμιο Beihang πραγματοποίησαν τις μαγνητοθερμιδικές μετρήσεις τους σε θερμοκρασίες κάτω από 1 Κ. Η εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των πειραματικών τους δεδομένων και των θεωρητικών υπολογισμών των υπερστερεών μεταπτώσεων κβαντικής φάσης τους βοήθησε να πειστούν ότι παρατηρούσαν ένα νέο υπερστερεό σπιν.

Περαιτέρω επιβεβαίωση προήλθε από μικροσκοπικά στοιχεία που απέκτησαν πραγματοποιώντας πειράματα περίθλασης νετρονίων σε δείγματα υψηλής ποιότητας NBCP στο Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γαλλία και την Αυστραλιανός Οργανισμός Πυρηνικής Επιστήμης και Τεχνολογίας. «Οι κορυφές περίθλασης αποκάλυψαν τάξη τριών υποπλέγματος εντός επιπέδου, συμπαγή τάξη και ασυμμετρία στην κατεύθυνση εκτός επιπέδου», λέει ο Su. "Το τελευταίο μπορεί να συσχετιστεί με την ύπαρξη τρόπων Goldstone χωρίς διάκενο (μια μορφή διακοπής της συμμετρίας στα μποζόνια) και επομένως υποστηρίζει την ύπαρξη υπερρευστότητας σπιν στην ένωση."

Μια νέα κβαντική κατάσταση της ύλης και ένας νέος μηχανισμός ψύξης

Η ομάδα CAS επέλεξε να μελετήσει το NBCP επειδή παρουσιάζει έντονες διακυμάνσεις σπιν χαμηλής ενέργειας, υποδεικνύοντας μια πιθανή υγρή κατάσταση κβαντικού σπιν. Είναι επίσης ένας αντισιδηρομαγνήτης, που σημαίνει ότι σε αντίθεση με τους συμβατικούς σιδηρομαγνήτες, οι οποίοι έχουν παράλληλα σπιν ηλεκτρονίων, τα σπιν ηλεκτρονίων του τείνουν να ευθυγραμμίζονται αντιπαράλληλα μεταξύ τους. Αυτή η αντι-ευθυγράμμιση οδηγεί σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των περιστροφών.

Αφού ένα από τα μέλη της ομάδας πρότεινε ότι ένα υπερστερεό σπιν μπορεί να υπάρχει στο NBCP, ο Li και ο Gang ρώτησαν τους πειραματιστές συναδέλφους τους Xiang, Jin και Sun εάν ήταν δυνατό να αναζητηθούν νέες καταστάσεις κβαντικής σπιν στην ένωση. «Έκαναν και παρατήρησαν τη νέα κβαντική κατάσταση της ύλης, το σπιν υπερστερεό», θυμάται ο Λι.

Εκτός από την αποκάλυψη μιας νέας κβαντικής κατάστασης της ύλης, η ανακάλυψη θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε νέες μεθόδους ψύξης υπό Κέλβιν χωρίς ήλιο. Αυτά είναι ιδιαίτερα περιζήτητα για την επιστήμη των υλικών, την κβαντική τεχνολογία και τις διαστημικές εφαρμογές, μεταξύ άλλων, λέει ο Li Κόσμος Φυσικής.

Ο Li εξηγεί ότι υπάρχουν επί του παρόντος δύο κύριοι τρόποι ψύξης υλικών σε θερμοκρασίες λίγων Kelvin. Η πρώτη είναι η χρήση ηλίου, το οποίο γίνεται υγρό σε θερμοκρασίες κάτω των 4.15 Κ. Η δεύτερη είναι η εκμετάλλευση του μαγνητοθερμιδικού φαινομένου, στο οποίο ορισμένα υλικά αλλάζουν θερμοκρασία υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Και οι δύο αυτές τεχνικές έχουν τα μειονεκτήματά τους: το ήλιο είναι σπάνιο και επομένως ακριβό, ενώ η ειδική κατηγορία ενώσεων που χρησιμοποιούνται για μαγνητοθερμιδική ψύξη (γνωστά ως ενυδατωμένα παραμαγνητικά άλατα) έχουν χαμηλή πυκνότητα μαγνητικής εντροπίας, κακή χημική σταθερότητα και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Ωστόσο, ο Li ισχυρίζεται ότι το γιγαντιαίο μαγνητοθερμιδικό φαινόμενο στο υπερστερεό σπιν που ανακαλύφθηκε πρόσφατα θα μπορούσε να «ξεπεράσει αποτελεσματικά αυτά τα μειονεκτήματα» εκμεταλλευόμενος τις συλλογικές διεγέρσεις σπιν σε χαμηλές ενέργειες.

Ψάχνετε για άλλα υπερστερεά περιστροφής

Οι ερευνητές προσπαθούν τώρα να αποκτήσουν πρόσθετα δυναμικά στοιχεία για την υπερστερεότητα του σπιν στο NBCP. Για το σκοπό αυτό, ο Jin λέει ότι εκτελούν μετρήσεις ανελαστικής σκέδασης νετρονίων για να διερευνήσουν τους τρόπους Goldstone που σχετίζονται με την τάξη υπερρευστού σπιν. Σχεδιάζουν επίσης να πραγματοποιήσουν πειράματα περίθλασης πολωμένων νετρονίων για να ενισχύσουν περαιτέρω τα ευρήματά τους.

Τέλος, η ομάδα ερευνά άλλες ενώσεις τριγωνικού πλέγματος σε μια προσπάθεια να εντοπίσει πρόσθετες υπερστερεές καταστάσεις σπιν ή άλλες εξωτικές καταστάσεις σπιν. «Με αυτόν τον τρόπο, ελπίζουμε να κατανοήσουμε καλύτερα τα υποκείμενα φυσικά φαινόμενα που προκαλούν αυτές τις ενδιαφέρουσες κβαντικές φάσεις της ύλης», λέει ο Su.

Η παρούσα μελέτη τους περιγράφεται αναλυτικά στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/