ابر جامد اسپین در یک ضد فرومغناطیس کوانتومی - دنیای فیزیک ظاهر می شود

محققان در چین، فرانسه و استرالیا شواهد جدیدی برای وضعیت کوانتومی عجیب و غریب ماده به نام ابر جامد اسپین یافته اند. این کشف که در یک ماده ضد فرومغناطیسی با ساختار شبکه اتمی مثلثی شکل انجام شده است، نشان دهنده یک پیشرفت در فیزیک بنیادی است و همچنین ممکن است به توسعه تکنیک های خنک کننده جدید که نیازی به هلیوم مایع ندارند کمک کند، زیرا این ماده همچنین یک اثر مغناطیسی کالری غول پیکر را نشان می دهد.

همانطور که از نام آنها پیداست، ابر جامدها موادی هستند که بدون اصطکاک (مانند یک ابر سیال) جریان دارند، حتی اگر ذرات تشکیل دهنده آنها در یک شبکه کریستالی (مانند یک جامد) قرار گرفته باشند. به این ترتیب، این مواد دو تقارن پیوسته را می شکنند: تغییر ناپذیری انتقالی، به دلیل نظم کریستالی. و تقارن سنج، به دلیل جریان بدون اصطکاک مواد.

نظریه پردازان در دهه 1960 پیش بینی کردند که ابر جامدها باید در جامدات کوانتومی با به اصطلاح جاهای خالی بوزونی متحرک وجود داشته باشند - یعنی شکاف هایی که اتم هایی با مقادیر اسپین اعداد صحیح در شبکه کریستالی حرکت می کنند. با شروع در دهه 1980، تحقیقات تجربی بر نکاتی متمرکز شد که ابر جامد ممکن است در ابر سیال هلیوم 4 رخ دهد. در سال 2004، فیزیکدانان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در ایالات متحده شواهدی مبنی بر وجود ابر جامد در این ماده گزارش کردند. با این حال، تحقیقات بیشتر توسط همان محققان نشان داد که اشتباه کرده اند، و مشاهدات آنها می تواند باشد به روش های دیگر توضیح داده شده است.

آزمایشات جدیدتر نشان داده‌اند که گازهای کوانتومی دوقطبی که در یک جهت کشیده شده‌اند، می‌توانند تحت یک انتقال فاز از یک میعانات بوز-اینشتین معمولی (BEC) به حالتی با خواص فوق جامد قرار بگیرند. اتم های گازهای دوقطبی دارای گشتاورهای مغناطیسی زیادی هستند و این برهمکنش های بین آنهاست که باعث ایجاد ابر جامد در این سیستم ها می شود.

لایه های شواهد

محققان به رهبری باند سو در دانشگاه آکادمی علوم چین (CAS) در پکن اکنون می گویند که آنالوگ مغناطیسی کوانتومی یک ابر جامد را در یک ضد فرومغناطیس اخیراً با فرمول شیمیایی Na پیدا کرده اند.₂BaCo(PO₄)₂. این ترکیب که با نام NBCP شناخته می شود، همچنین یک اثر مغناطیسی کالری غول پیکر را نشان می دهد، به این معنی که با اعمال و حذف یک میدان مغناطیسی خارجی، گرم و سرد می شود.

سو و همکارانش وی لی از موسسه فیزیک نظری، CAS; یونسن شیانگ و پیجی سان از موسسه فیزیک، CASو ونتائو جین at دانشگاه Beihang اندازه گیری های مغناطیسی کالری خود را در دمای کمتر از 1 K انجام دادند. توافق عالی بین داده های تجربی آنها و محاسبات نظری انتقال فاز کوانتومی فوق جامد به آنها کمک کرد که آنها را متقاعد کنند که یک ابر جامد اسپینی جدید را مشاهده می کنند.

تأیید بیشتر از شواهد میکروسکوپی که آنها با انجام آزمایش‌های پراش نوترون بر روی نمونه‌های باکیفیت NBCP به دست آوردند به دست آمد. موسسه Laue-Langevin در فرانسه و سازمان علوم و فناوری هسته ای استرالیا. سو می‌گوید: «قله‌های پراش نظم سه زیرشبکه درون صفحه، نظم جامد و غیرقابل قیاس‌پذیری را در جهت خارج از صفحه نشان می‌دهد». دومی می‌تواند به وجود حالت‌های گلدستون بدون شکاف (شکلی از شکستن تقارن در بوزون‌ها) مرتبط باشد و بنابراین از وجود ابرسیالیت اسپین در ترکیب پشتیبانی می‌کند.

وضعیت کوانتومی جدید ماده و مکانیسم خنک کننده جدید

تیم CAS مطالعه NBCP را انتخاب کرد زیرا نوسانات اسپین کم انرژی قوی را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده حالت مایع اسپین کوانتومی احتمالی است. همچنین یک ضد فرومغناطیس است، به این معنی که بر خلاف فرومغناطیس های معمولی که دارای اسپین های الکترونی موازی هستند، اسپین های الکترونی آن تمایل دارند که به صورت پاد موازی با یکدیگر قرار بگیرند. این ضد همسویی منجر به فعل و انفعالات قوی بین چرخش ها می شود.

پس از اینکه یکی از اعضای تیم پیشنهاد کرد که یک ابر جامد اسپینی ممکن است در NBCP وجود داشته باشد، لی و گنگ از همکاران تجربی خود شیانگ، جین و سان پرسیدند که آیا امکان دارد به دنبال حالت‌های اسپین کوانتومی جدیدی در این ترکیب بگردید. لی به یاد می آورد: «آنها وضعیت کوانتومی جدید ماده، ابرجامد اسپین را انجام دادند و مشاهده کردند.

این کشف علاوه بر آشکارسازی یک حالت کوانتومی جدید ماده، می‌تواند به روش‌های خنک‌سازی زیرکلوین بدون هلیوم نیز منجر شود. لی می گوید که اینها برای علم مواد، فناوری کوانتومی و کاربردهای فضایی بسیار مورد توجه هستند. دنیای فیزیک.

لی توضیح می دهد که در حال حاضر دو راه اصلی برای خنک کردن مواد تا دمای کم کلوین وجود دارد. اولین مورد استفاده از هلیوم است که در دماهای کمتر از 4.15 کلوین به مایع تبدیل می شود. دوم استفاده از اثر مغناطیسی کالری است که در آن مواد خاصی تحت تأثیر میدان مغناطیسی اعمال شده دما را تغییر می دهند. هر دوی این تکنیک‌ها معایب خود را دارند: هلیوم کمیاب است و بنابراین گران است، در حالی که دسته خاصی از ترکیبات مورد استفاده برای خنک‌سازی مغناطیسی کالری (معروف به نمک‌های پارامغناطیس هیدراته) دارای چگالی آنتروپی مغناطیسی پایین، پایداری شیمیایی ضعیف و هدایت حرارتی پایین هستند. با این حال، لی ادعا می‌کند که اثر مغناطیسی کالری غول‌پیکر در ابر جامد اسپینی تازه کشف‌شده می‌تواند با بهره‌برداری از تحریکات اسپین جمعی در انرژی‌های پایین «به‌طور مؤثری بر این معایب غلبه کند».

به دنبال ابر جامدهای چرخشی دیگر

محققان اکنون در تلاش هستند تا شواهد دینامیکی بیشتری برای ابر جامد بودن اسپین در NBCP به دست آورند. برای این منظور، جین می‌گوید که اندازه‌گیری‌های پراکندگی نوترون غیرالاستیک را برای بررسی حالت‌های گلدستون مرتبط با نظم ابرسیال اسپین انجام می‌دهند. آنها همچنین قصد دارند برای تقویت بیشتر یافته های خود، آزمایش های پراش نوترون قطبی شده را انجام دهند.

در نهایت، این تیم در حال بررسی سایر ترکیبات شبکه مثلثی در تلاش برای شناسایی حالت های فوق جامد اسپین اضافی یا دیگر حالت های اسپین عجیب و غریب است. سو می‌گوید: «با انجام این کار، ما امیدواریم که پدیده‌های فیزیکی زیربنایی را که باعث ایجاد این مراحل کوانتومی جذاب ماده می‌شوند، بهتر درک کنیم.

مطالعه حاضر آنها به تفصیل در طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/