Putaran superpadat muncul dalam antiferromagnet kuantum – Dunia Fisika

Para peneliti di Tiongkok, Perancis dan Australia telah menemukan bukti baru tentang keadaan materi kuantum eksotik yang disebut spin supersolid. Penemuan ini, yang terbuat dari bahan antiferromagnetik dengan struktur kisi atom segitiga, merupakan terobosan dalam fisika dasar dan mungkin juga membantu pengembangan teknik pendinginan baru yang tidak memerlukan helium cair, karena bahan tersebut juga menunjukkan efek magnetokalori raksasa.

Sesuai dengan namanya, superpadat adalah material yang mengalir tanpa gesekan (seperti superfluida) meskipun partikel penyusunnya tersusun dalam kisi kristal (seperti padatan). Dengan demikian, bahan-bahan ini memecah dua simetri yang berkesinambungan: invariansi translasi, karena tatanan kristal; dan mengukur simetri, karena aliran material tanpa gesekan.

Para ahli teori memperkirakan pada tahun 1960-an bahwa superpadat akan ada dalam padatan kuantum dengan apa yang disebut kekosongan bosonik seluler – yaitu, celah yang tertinggal saat atom dengan nilai putaran bilangan bulat bergerak melalui kisi kristal. Dimulai pada tahun 1980-an, penelitian eksperimental berfokus pada petunjuk bahwa supersoliditas mungkin terjadi pada superfluida helium-4. Pada tahun 2004, fisikawan di Pennsylvania State University di AS melaporkan bukti adanya supersoliditas pada material ini. Namun, diteliti lebih lanjut oleh peneliti yang sama mengungkapkan bahwa mereka salah, dan pengamatan mereka bisa jadi dijelaskan dengan cara lain.

Eksperimen yang lebih baru telah menunjukkan bahwa gas kuantum dipolar yang memanjang dalam satu arah dapat mengalami transisi fase dari kondensat Bose-Einstein (BEC) biasa ke keadaan dengan sifat superpadat. Atom-atom dalam gas dipolar mempunyai momen magnet yang besar dan interaksi di antara atom-atom tersebutlah yang menimbulkan supersoliditas dalam sistem ini.

Lapisan bukti

Peneliti yang dipimpin oleh Geng Su di Universitas Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (CAS) di Beijing sekarang mengatakan mereka telah menemukan analog magnetik kuantum dari superpadat dalam antiferromagnet yang baru-baru ini disintesis dengan rumus kimia Na₂BaCo(PO₄)₂. Senyawa ini, yang dikenal sebagai NBCP, juga menampilkan efek magnetokalorik raksasa, yang berarti senyawa tersebut memanas dan mendingin secara dramatis ketika medan magnet eksternal diterapkan dan dihilangkan.

Su dan rekannya Wei Li dari Institut Fisika Teoritis, CAS; Junsen Xiang dan Peijie Sun dari Institut Fisika, CAS; Dan Wentao Jin at Universitas Beihang melakukan pengukuran magnetokalori pada suhu di bawah 1 K. Kesesuaian yang sangat baik antara data eksperimen dan perhitungan teoretis transisi fase kuantum superpadat membantu meyakinkan mereka bahwa mereka sedang mengamati putaran superpadat baru.

Konfirmasi lebih lanjut datang dari bukti mikroskopis yang mereka peroleh dengan melakukan eksperimen difraksi neutron pada sampel NBCP berkualitas tinggi di Institut Laue-Langevin di Perancis dan Organisasi Sains dan Teknologi Nuklir Australia. “Puncak difraksi mengungkapkan tatanan tiga subkisi dalam bidang, tatanan padat, dan ketidakterbandingan dalam arah luar bidang,” kata Su. “Yang terakhir ini dapat dikaitkan dengan keberadaan mode Goldstone tanpa celah (suatu bentuk pemutusan simetri pada boson) dan oleh karena itu mendukung keberadaan superfluiditas putaran dalam senyawa.”

Keadaan materi kuantum baru dan mekanisme pendinginan baru

Tim CAS memilih untuk mempelajari NBCP karena menunjukkan fluktuasi putaran energi rendah yang kuat, yang menunjukkan kemungkinan keadaan cairan putaran kuantum. Ia juga merupakan antiferromagnet, artinya tidak seperti feromagnet konvensional, yang memiliki putaran elektron paralel, putaran elektronnya cenderung sejajar satu sama lain. Anti-keselarasan ini menyebabkan interaksi yang kuat di antara putaran.

Setelah salah satu anggota tim menyatakan bahwa putaran superpadat mungkin ada di NBCP, Li dan Gang bertanya kepada rekan eksperimentalis mereka, Xiang, Jin, dan Sun apakah mungkin untuk mencari keadaan putaran kuantum baru dalam senyawa tersebut. “Mereka melakukan dan mengamati keadaan kuantum materi yang baru, putaran superpadat,” kenang Li.

Selain mengungkap keadaan materi kuantum baru, penemuan ini juga dapat mengarah pada metode pendinginan sub-Kelvin bebas helium yang baru. Teknologi ini banyak dicari antara lain untuk ilmu material, teknologi kuantum, dan aplikasi luar angkasa, kata Li Dunia Fisika.

Li menjelaskan bahwa saat ini ada dua cara utama untuk mendinginkan material hingga suhu beberapa Kelvin. Yang pertama adalah menggunakan helium, yang menjadi cair pada suhu di bawah 4.15 K. Yang kedua adalah memanfaatkan efek magnetocaloric, di mana bahan tertentu berubah suhunya di bawah pengaruh medan magnet yang diterapkan. Kedua teknik ini mempunyai kekurangan: helium langka dan karenanya mahal, sedangkan kelas senyawa khusus yang digunakan untuk pendinginan magnetokalori (dikenal sebagai garam paramagnetik terhidrasi) memiliki kepadatan entropi magnetik yang rendah, stabilitas kimia yang buruk, dan konduktivitas termal yang rendah. Namun, Li mengklaim bahwa efek magnetocaloric raksasa dalam spin supersolid yang baru ditemukan dapat “secara efektif mengatasi kelemahan ini” dengan memanfaatkan eksitasi spin kolektif pada energi rendah.

Mencari supersolid putaran lainnya

Para peneliti sekarang mencoba untuk mendapatkan bukti dinamis tambahan untuk supersoliditas putaran di NBCP. Untuk tujuan ini, Jin mengatakan mereka melakukan pengukuran hamburan neutron inelastis untuk menyelidiki mode Goldstone yang terkait dengan tatanan putaran superfluida. Mereka juga berencana melakukan eksperimen difraksi neutron terpolarisasi untuk lebih memperkuat temuan mereka.

Terakhir, tim sedang menyelidiki senyawa kisi segitiga lainnya dalam upaya mengidentifikasi keadaan putaran superpadat tambahan atau keadaan putaran eksotik lainnya. “Dengan melakukan hal ini, kami berharap dapat lebih memahami fenomena fisik mendasar yang memunculkan fase kuantum materi yang menarik ini,” kata Su.

Studi mereka saat ini dirinci dalam Alam.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/