Pöörlemise supertahke aine ilmub kvantantiferromagnetis – füüsikamaailmas

Hiina, Prantsusmaa ja Austraalia teadlased on leidnud uusi tõendeid aine eksootilise kvantoleku kohta, mida nimetatakse spin-supertahkeks aineks. Kolmnurkse aatomvõrestruktuuriga antiferromagnetilisest materjalist tehtud avastus kujutab endast läbimurret fundamentaalses füüsikas ja võib samuti aidata kaasa uute jahutustehnikate väljatöötamisele, mis ei vaja vedelat heeliumi, kuna materjalil on ka hiiglaslik magnetokaloriefekt.

Nagu nimigi viitab, on ülitahked ained materjalid, mis voolavad hõõrdumiseta (nagu ülivedelik), kuigi nende osakesed on paigutatud kristallivõre (nagu tahke aine). Sellisena rikuvad need materjalid kahte pidevat sümmeetriat: translatsiooniline invariantsus, mis on tingitud kristallilisest järjestusest; ja gabariidi sümmeetria, mis on tingitud materjali hõõrdumiseta voolust.

Teoreetikud ennustasid 1960. aastatel, et supertahked ained peaksid eksisteerima kvanttahketes ainetes, millel on nn mobiilsed bosonilised vabad kohad – st tühimikud, mis jäävad maha, kui täisarvuliste spinniväärtustega aatomid liiguvad läbi kristallivõre. Alates 1980. aastatest keskendusid eksperimentaalsed uuringud vihjetele selle kohta, et ülivedelikus heelium-4 võib tekkida ülitahke aine. 2004. aastal teatasid USA Pennsylvania osariigi ülikooli füüsikud tõenditest selle materjali ülitahkelisuse kohta. Kuid edasine uurimine samade teadlaste poolt selgus, et nad eksisid, ja nende tähelepanekud võivad olla muul viisil seletatud.

Uuemad katsed on näidanud, et ühes suunas piklikud dipolaarsed kvantgaasid võivad läbida faasisiirde tavalisest Bose-Einsteini kondensaadist (BEC) ülitahkete omadustega olekusse. Dipolaarsete gaaside aatomitel on suured magnetmomendid ja just nendevahelised vastasmõjud põhjustavad nendes süsteemides ülitahkedust.

Tõendite kihid

Teadlased eesotsas Gang Su kell Hiina Teaduste Akadeemia ülikool (CAS) Pekingis väidavad nüüd, et nad on hiljuti sünteesitud antiferromagnetist keemilise valemiga Na leidnud supertahke aine kvantmagnetilise analoogi₂BaCo(PO₄)₂. Sellel ühendil, mida tuntakse kui NBCP-d, on ka hiiglaslik magnetokaloriefekt, mis tähendab, et see soojeneb ja jahtub dramaatiliselt, kui rakendatakse ja eemaldatakse väline magnetväli.

Su ja kolleegid Wei Li Euroopa Teoreetilise Füüsika Instituut, CAS; Junsen Xiang ja Peijie Päike alates CASi füüsikainstituutNing Wentao Jin at Beihangi ülikool viidi läbi magnetkalorite mõõtmised temperatuuril alla 1 K. Nende eksperimentaalsete andmete ja ülitahke kvantfaasisiirete teoreetiliste arvutuste suurepärane kokkusobivus aitas neid veenda, et nad vaatlevad uut spinni ülitahket ainet.

Täiendav kinnitus saadi mikroskoopilistest tõenditest, mille nad said neutronite difraktsioonikatsete läbiviimisel kvaliteetsete NBCP proovidega. Laue-Langevini instituut Prantsusmaal ja Austraalia tuumateaduse ja -tehnoloogia organisatsioon. "Difraktsioonipiigid näitasid tasapinnalist kolme alamvõre järjekorda, tahket järjestust ja tasapinnast väljas olevas suunas võrreldamatust, " ütleb Su. "Viimast võib seostada lünkadeta Goldstone'i režiimide olemasoluga (bosonites sümmeetria purunemise vorm) ja toetab seetõttu ühendis spin-ülivedeliku olemasolu."

Uus aine kvantolek ja uus jahutusmehhanism

CAS-i meeskond otsustas uurida NBCP-d, kuna sellel on tugevad madala energiatarbega pöörlemiskõikumised, mis viitavad võimalikule kvanttsentrifuugimise vedelale olekule. See on ka antiferromagnet, mis tähendab, et erinevalt tavalistest ferromagnetitest, millel on paralleelsed elektronide spinnid, kalduvad selle elektronide spinnid üksteisega antiparalleelselt joonduma. See joondamisevastane toime põhjustab keerutuste vahel tugevat vastasmõju.

Pärast seda, kui üks meeskonnaliikmetest väitis, et NBCP-s võib esineda spin-supertahke aine, küsisid Li ja Gang oma eksperimentaatoritest kolleegidelt Xiangilt, Jinilt ja Sunilt, kas ühendist on võimalik otsida uusi kvantspinni olekuid. "Nad tegid ja jälgisid aine uut kvantolekut, spin-supertahket ainet," meenutab Li.

Lisaks aine uue kvantoleku paljastamisele võib avastus viia ka uute heeliumivabade Kelvini jahutusmeetoditeni. Li jutustab, et need on väga ihaldatud materjaliteaduse, kvanttehnoloogia ja kosmoserakenduste jaoks Füüsika maailm.

Li selgitab, et praegu on materjalide jahutamiseks mõne Kelvini temperatuurini kaks peamist viisi. Esimene on kasutada heeliumi, mis muutub vedelikuks temperatuuril alla 4.15 K. Teiseks kasutatakse magnetokaloriefekti, mille puhul teatud materjalid muudavad rakendatud magnetvälja mõjul temperatuuri. Mõlemal tehnikal on omad puudused: heelium on vähe ja seetõttu kallis, samas kui magnetokalori jahutamiseks kasutatavate ühendite eriklassil (tuntud kui hüdraatunud paramagnetilistest sooladest) on madal magnetilise entroopia tihedus, halb keemiline stabiilsus ja madal soojusjuhtivus. Kuid Li väidab, et äsja avastatud spin-supertahke aine hiiglaslik magnetokaloriefekt võib "tõhusalt ületada need puudused", kasutades ära kollektiivseid spin-ergutusi madala energiaga.

Otsin teisi spin-supertahkeid aineid

Teadlased üritavad nüüd saada täiendavaid dünaamilisi tõendeid NBCP-s spin-supersolidsuse kohta. Sel eesmärgil ütleb Jin, et nad viivad läbi mitteelastsete neutronite hajumise mõõtmisi, et uurida Goldstone'i režiime, mis on seotud spin-ülivedeliku järjestusega. Samuti kavatsevad nad oma tulemuste tugevdamiseks läbi viia polariseeritud neutronite difraktsioonikatseid.

Lõpuks uurib meeskond teisi kolmnurkse võre ühendeid, et tuvastada täiendavaid spinni ülitahkeid olekuid või muid eksootilisi spin-olekuid. "Seda tehes loodame paremini mõista aluseks olevaid füüsilisi nähtusi, mis põhjustavad mateeria intrigeerivaid kvantfaase, " ütleb Su.

Nende käesolev uuring on üksikasjalikult kirjeldatud loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/