स्पिन सुपरसॉलिड एक क्वांटम एंटीफेरोमैग्नेट - फिजिक्स वर्ल्ड में दिखाई देता है

चीन, फ्रांस और ऑस्ट्रेलिया के शोधकर्ताओं ने स्पिन सुपरसॉलिड नामक पदार्थ की एक विदेशी क्वांटम अवस्था के लिए नए सबूत पाए हैं। त्रिकोणीय परमाणु जाली संरचना के साथ एक एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री में की गई खोज, मौलिक भौतिकी में एक सफलता का प्रतिनिधित्व करती है और नई शीतलन तकनीकों के विकास में भी मदद कर सकती है, जिसमें तरल हीलियम की आवश्यकता नहीं होती है, क्योंकि सामग्री एक विशाल मैग्नेटोकलोरिक प्रभाव भी दिखाती है।

जैसा कि उनके नाम से पता चलता है, सुपरसॉलिड वे सामग्रियां हैं जो बिना घर्षण के बहती हैं (सुपरफ्लुइड की तरह) भले ही उनके घटक कण एक क्रिस्टलीय जाली (एक ठोस की तरह) में व्यवस्थित होते हैं। इस प्रकार, ये सामग्रियां दो निरंतर समरूपताओं को तोड़ती हैं: क्रिस्टलीय क्रम के कारण अनुवाद संबंधी अपरिवर्तनीयता; और सामग्री के घर्षण रहित प्रवाह के कारण गेज समरूपता।

सिद्धांतकारों ने 1960 के दशक में भविष्यवाणी की थी कि सुपरसॉलिड तथाकथित मोबाइल बोसोनिक रिक्तियों के साथ क्वांटम ठोस पदार्थों में मौजूद होना चाहिए - यानी, पूर्णांक स्पिन मान वाले परमाणुओं के क्रिस्टलीय जाली के माध्यम से आगे बढ़ने पर पीछे छोड़े गए अंतराल। 1980 के दशक की शुरुआत में, प्रायोगिक अनुसंधान उन संकेतों पर केंद्रित था कि सुपरफ्लुइड हीलियम -4 में सुपरसॉलिडिटी हो सकती है। 2004 में, अमेरिका में पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों ने इस सामग्री में सुपरसॉलिडिटी के साक्ष्य की सूचना दी। हालाँकि, आगे की जाँच उन्हीं शोधकर्ताओं द्वारा की जाएगी पता चला कि उनसे गलती हुई थी, और उनके अवलोकन हो सकते हैं अन्य तरीकों से समझाया गया.

अधिक नवीनतम प्रयोग दिखाया गया है कि एक दिशा में विस्तारित द्विध्रुवीय क्वांटम गैसें नियमित बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) से सुपरसॉलिड गुणों वाली अवस्था में चरण संक्रमण से गुजर सकती हैं। द्विध्रुवीय गैसों में परमाणुओं में बड़े चुंबकीय क्षण होते हैं और यह उनके बीच की बातचीत है जो इन प्रणालियों में सुपरसॉलिडिटी को जन्म देती है।

सबूत की परतें

के नेतृत्व में शोधकर्ताओं गैंग सु पर चीनी विज्ञान अकादमी विश्वविद्यालय (सीएएस) अब बीजिंग में कहा जा रहा है कि उन्हें रासायनिक सूत्र Na के साथ हाल ही में संश्लेषित एंटीफेरोमैग्नेट में एक सुपरसॉलिड का क्वांटम चुंबकीय एनालॉग मिला है।₂बाको(पीओ₄)₂. यह यौगिक, जिसे एनबीसीपी के रूप में जाना जाता है, एक विशाल मैग्नेटोकलोरिक प्रभाव भी प्रदर्शित करता है, जिसका अर्थ है कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू होने और हटाए जाने पर यह नाटकीय रूप से गर्म और ठंडा हो जाता है।

सु और सहकर्मी वी ली का सैद्धांतिक भौतिकी संस्थान, सीएएस; जुनसेन जियांग और पेइजी सन से भौतिकी संस्थान, सीएएस, और वेन्ताओ जिन at Beihang विश्वविद्यालय 1 K से नीचे के तापमान पर उनके मैग्नेटोकैलोरिक माप किए गए। उनके प्रयोगात्मक डेटा और सुपरसॉलिड क्वांटम चरण संक्रमणों की सैद्धांतिक गणना के बीच उत्कृष्ट समझौते ने उन्हें यह समझाने में मदद की कि वे एक नए स्पिन सुपरसॉलिड का अवलोकन कर रहे थे।

आगे की पुष्टि एनबीसीपी के उच्च गुणवत्ता वाले नमूनों पर न्यूट्रॉन विवर्तन प्रयोगों के संचालन से प्राप्त सूक्ष्म साक्ष्यों से हुई। इंस्टिट्यूट लाउ-लैंग्विन फ्रांस में और ऑस्ट्रेलियाई परमाणु विज्ञान और प्रौद्योगिकी संगठन. सु कहते हैं, "विवर्तन चोटियों से विमान के अंदर तीन-उपखंडीय क्रम, ठोस क्रम और विमान से बाहर की दिशा में असंगतता का पता चला।" "उत्तरार्द्ध गैपलेस गोल्डस्टोन मोड (बोसॉन में समरूपता तोड़ने का एक रूप) के अस्तित्व से संबंधित हो सकता है और इसलिए यौगिक में स्पिन सुपरफ्लुइडिटी के अस्तित्व का समर्थन करता है।"

पदार्थ की एक नई क्वांटम अवस्था और एक नया शीतलन तंत्र

सीएएस टीम ने एनबीसीपी का अध्ययन करना चुना क्योंकि यह मजबूत कम-ऊर्जा स्पिन उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करता है, जो संभावित क्वांटम स्पिन तरल अवस्था का संकेत देता है। यह एक एंटीफेरोमैग्नेट भी है, जिसका अर्थ है कि पारंपरिक फेरोमैग्नेट के विपरीत, जिसमें समानांतर इलेक्ट्रॉन स्पिन होते हैं, इसके इलेक्ट्रॉन स्पिन एक दूसरे के एंटीपैरल समानांतर में संरेखित होते हैं। यह विरोधी संरेखण स्पिनों के बीच मजबूत अंतःक्रिया की ओर ले जाता है।

टीम के सदस्यों में से एक ने सुझाव दिया कि एनबीसीपी में एक स्पिन सुपरसॉलिड मौजूद हो सकता है, ली और गैंग ने अपने प्रयोगवादी सहयोगियों जियांग, जिन और सन से पूछा कि क्या यौगिक में नए क्वांटम स्पिन राज्यों की तलाश करना संभव है। ली याद करते हैं, "उन्होंने पदार्थ की नई क्वांटम अवस्था, स्पिन सुपरसॉलिड का अवलोकन किया और देखा।"

पदार्थ की एक नई क्वांटम स्थिति का खुलासा करने के साथ-साथ, यह खोज नई हीलियम-मुक्त उप-केल्विन शीतलन विधियों को भी जन्म दे सकती है। ली बताते हैं कि सामग्री विज्ञान, क्वांटम प्रौद्योगिकी और अंतरिक्ष अनुप्रयोगों सहित अन्य क्षेत्रों में इनकी अत्यधिक मांग है भौतिकी की दुनिया.

ली बताते हैं कि वर्तमान में सामग्री को कुछ-केल्विन तापमान तक ठंडा करने के दो मुख्य तरीके हैं। पहला है हीलियम का उपयोग करना, जो 4.15 K से नीचे के तापमान पर तरल बन जाता है। दूसरा है मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव का फायदा उठाना, जिसमें कुछ सामग्री लागू चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में तापमान बदलती है। इन दोनों तकनीकों में अपनी कमियां हैं: हीलियम दुर्लभ है और इसलिए महंगा है, जबकि मैग्नेटोकैलोरिक शीतलन (हाइड्रेटेड पैरामैग्नेटिक लवण के रूप में जाना जाता है) के लिए उपयोग किए जाने वाले यौगिकों के विशेष वर्ग में कम चुंबकीय एन्ट्रापी घनत्व, खराब रासायनिक स्थिरता और कम तापीय चालकता होती है। हालाँकि, ली का दावा है कि नए खोजे गए स्पिन सुपरसॉलिड में विशाल मैग्नेटोकलोरिक प्रभाव कम ऊर्जा पर सामूहिक स्पिन उत्तेजनाओं का फायदा उठाकर "इन कमियों को प्रभावी ढंग से दूर कर सकता है"।

अन्य स्पिन सुपरसॉलिड की तलाश है

शोधकर्ता अब एनबीसीपी में स्पिन सुपरसॉलिडिटी के लिए अतिरिक्त गतिशील साक्ष्य प्राप्त करने का प्रयास कर रहे हैं। इस प्रयोजन के लिए, जिन का कहना है कि वे स्पिन सुपरफ्लुइड ऑर्डर से जुड़े गोल्डस्टोन मोड की जांच करने के लिए इनलेस्टिक न्यूट्रॉन बिखरने का माप कर रहे हैं। वे अपने निष्कर्षों को और मजबूत करने के लिए ध्रुवीकृत न्यूट्रॉन विवर्तन प्रयोगों का संचालन करने की भी योजना बना रहे हैं।

अंत में, टीम अतिरिक्त स्पिन सुपरसॉलिड अवस्थाओं या अन्य विदेशी स्पिन अवस्थाओं की पहचान करने के प्रयास में अन्य त्रिकोणीय जाली यौगिकों की जांच कर रही है। "ऐसा करने से, हम उन अंतर्निहित भौतिक घटनाओं को बेहतर ढंग से समझने की उम्मीद करते हैं जो पदार्थ के इन दिलचस्प क्वांटम चरणों को जन्म देते हैं," सु कहते हैं।

उनका वर्तमान अध्ययन विस्तृत है प्रकृति.

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/