A Spin szuperszilárd anyag megjelenik egy kvantum antiferromágnesben – a fizika világában

Kínai, francia és ausztrál kutatók új bizonyítékot találtak egy egzotikus kvantumállapotra, amelyet spin szuperszilárd anyagnak neveznek. A háromszög alakú atomrácsszerkezetű antiferromágneses anyagból készült felfedezés áttörést jelent az alapvető fizikában, és segíthet új hűtési technikák kifejlesztésében is, amelyek nem igényelnek folyékony héliumot, hiszen az anyag óriási magnetokalorikus hatást is mutat.

Ahogy a nevük is sugallja, a szuperszilárd anyagok olyan anyagok, amelyek súrlódás nélkül áramlanak (mint egy szuperfolyadék), még akkor is, ha alkotórészecskéi kristályrácsban (mint egy szilárd anyag) vannak elrendezve. Mint ilyenek, ezek az anyagok két folytonos szimmetriát törnek meg: a transzlációs invarianciát a kristályos rend miatt; és mérőszimmetria, az anyag súrlódásmentes áramlása miatt.

A teoretikusok az 1960-as években azt jósolták, hogy a szuperszilárd anyagoknak létezniük kell az úgynevezett mobil bozonikus üresedésekkel rendelkező kvantum-szilárd anyagokban – vagyis hézagok maradnak hátra, amikor az egész spinértékű atomok áthaladnak a kristályrácson. Az 1980-as évektől kezdődően a kísérleti kutatások arra utaltak, hogy szuperszilárdság előfordulhat szuperfolyékony hélium-4-ben. 2004-ben az amerikai Pennsylvania Állami Egyetem fizikusai bizonyítékokról számoltak be az anyag szuperszilárdságáról. Azonban további vizsgálatot ugyanazok a kutatók kiderült, hogy tévedtek, és megfigyeléseik lehetnek más módon magyarázzák.

Újabb kísérletek kimutatták, hogy az egyik irányban megnyúlt dipoláris kvantumgázok fázisátalakulhatnak a szabályos Bose-Einstein kondenzátumból (BEC) egy szuperszilárd tulajdonságú állapotba. A dipoláris gázok atomjainak nagy mágneses momentumaik vannak, és a köztük lévő kölcsönhatások okozzák a szuperszilárdságot ezekben a rendszerekben.

A bizonyítékok rétegei

Kutatók által vezetett Gang Su a Kínai Tudományos Akadémia (CAS) Pekingben azt mondják, hogy megtalálták egy szuperszilárd anyag kvantummágneses analógját egy nemrégiben szintetizált Na kémiai képletű antiferromágnesben.₂BaCo(PO₄)₂. Ez az NBCP néven ismert vegyület óriási magnetokalorikus hatást is mutat, ami azt jelenti, hogy drámaian felmelegszik és lehűl, amikor külső mágneses mezőt alkalmaznak és eltávolítanak.

Su és kollégái Wei Li az Elméleti Fizikai Intézet, CAS; Junsen Xiang és a Peijie Sun tól Fizikai Intézet, CAS, És Wentao Jin at Beihang Egyetem Magnetokalória méréseiket 1 K alatti hőmérsékleten végezték. Kísérleti adataik és a szuperszilárd kvantumfázis-átalakulások elméleti számításai közötti kiváló egyezés segített meggyőzni őket arról, hogy egy új spin szuperszilárd anyagot figyeltek meg.

További megerősítést kaptak azok a mikroszkópos bizonyítékok, amelyeket az NBCP kiváló minőségű mintáin végzett neutrondiffrakciós kísérletek során szereztek. Institut Laue-Langevin Franciaországban és a Ausztrál Nukleáris Tudományos és Technológiai Szervezet. „A diffrakciós csúcsok síkon belüli három részrácsos rendet, szilárd rendet és a síkon kívüli irányban összemérhetetlenséget mutattak ki” – mondja Su. "Ez utóbbi összefüggésbe hozható a hézagmentes Goldstone-módusokkal (a bozonokban a szimmetriatörés egyik formája), és ezért alátámasztja a spin szuperfluiditás létezését a vegyületben."

Az anyag új kvantumállapota és új hűtési mechanizmusa

A CAS-csapat az NBCP tanulmányozása mellett döntött, mert erős, alacsony energiájú spin-ingadozásokat mutat, ami egy lehetséges kvantum spin-folyadék állapotra utal. Ez egyben antiferromágnes is, ami azt jelenti, hogy a hagyományos ferromágnesekkel ellentétben, amelyeknek párhuzamos elektronspinjei vannak, elektronspinjei hajlamosak egymáshoz antiparallel irányba igazodni. Ez az eligazítás erős kölcsönhatásokhoz vezet a pörgetések között.

Miután a csapat egyik tagja felvetette, hogy egy spin szuperszilárd anyag létezhet az NBCP-ben, Li és Gang megkérdezte kísérletező kollégáit, Xiangot, Jin-t és Sunt, hogy lehetséges-e új kvantum spin-állapotokat keresni a vegyületben. „Megtették és megfigyelték az anyag új kvantumállapotát, a spin szuperszilárd anyagot” – emlékszik vissza Li.

A felfedezés az anyag új kvantumállapotának feltárásán túl új, héliummentes, Kelvin alatti hűtési módszerekhez is vezethet. Ezek nagyon keresettek többek között az anyagtudomány, a kvantumtechnológia és az űralkalmazások területén, mondja Li Fizika Világa.

Li elmagyarázza, hogy jelenleg két fő módja van az anyagok néhány kelvin hőmérsékletű hűtésének. Az első a hélium felhasználása, amely 4.15 K alatti hőmérsékleten folyadékká válik. A második a magnetokalorikus hatás kihasználása, amelyben bizonyos anyagok hőmérsékletet változtatnak az alkalmazott mágneses tér hatására. Mindkét technikának megvannak a maga hátrányai: a hélium kevés, ezért drága, míg a magnetokalorikus hűtésre használt vegyületek speciális osztályának (az úgynevezett hidratált paramágneses sóknak) alacsony a mágneses entrópia sűrűsége, rossz a kémiai stabilitása és alacsony a hővezető képessége. Li azonban azt állítja, hogy az újonnan felfedezett spin-szuperszilárd anyagban az óriási magnetokalorikus hatás „hatékonyan leküzdheti ezeket a hátrányokat” azáltal, hogy a kollektív spin-gerjesztéseket alacsony energiákon használja ki.

Más spin szuperszilárd anyagokat keresek

A kutatók most további dinamikus bizonyítékokat próbálnak szerezni az NBCP spin szuperszoliditására vonatkozóan. Ennek érdekében Jin azt mondja, hogy rugalmatlan neutronszórási méréseket végeznek, hogy megvizsgálják a spin szuperfluid renddel kapcsolatos Goldstone-módusokat. Azt is tervezik, hogy polarizált neutron diffrakciós kísérleteket végeznek, hogy eredményeiket tovább erősítsék.

Végül a csapat más háromszögrácsos vegyületeket is vizsgál, hogy további spin szuperszilárd állapotokat vagy más egzotikus spinállapotokat azonosítson. "Ezzel azt reméljük, hogy jobban megértjük azokat a mögöttes fizikai jelenségeket, amelyek az anyag ezen érdekes kvantumfázisait idézik elő" - mondja Su.

Jelen tanulmányukat részletesen a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/