ספין על מוצק מופיע באנטי-פרומגנט קוונטי - עולם הפיזיקה

חוקרים בסין, צרפת ואוסטרליה מצאו עדויות חדשות למצב קוונטי אקזוטי של חומר הנקרא ספין-סופר-סוליד. התגלית, שנעשתה בחומר אנטי-פרומגנטי בעל מבנה סריג אטומי משולש, מייצגת פריצת דרך בפיזיקה הבסיסית ועשויה גם לסייע בפיתוח טכניקות קירור חדשות שאינן דורשות הליום נוזלי, שכן החומר מראה גם אפקט מגנטו-קלורי ענק.

כפי שמרמז שמם, מוצקים-על הם חומרים הזורמים ללא חיכוך (כמו נוזל-על) למרות שהחלקיקים המרכיבים שלהם מסודרים בסריג גבישי (כמו מוצק). ככאלה, חומרים אלו שוברים שתי סימטריות רציפות: אי-ווריאנטיות תרגום, עקב הסדר הגבישי; ומדדי סימטריה, עקב זרימת החומר ללא חיכוך.

תיאורטיקנים חזו בשנות ה-1960 שעל מוצקים צריכים להתקיים במוצקים קוונטיים עם מה שנקרא מקומות פנויים בוזונים ניידים - כלומר, פערים שנותרו מאחור כאשר אטומים בעלי ערכי ספין שלמים נעים דרך הסריג הגבישי. החל משנות ה-1980, מחקר ניסיוני התמקד ברמזים לכך שעלולה להתרחש סולידיות-על בהליום-4. בשנת 2004, פיזיקאים מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט בארה"ב דיווחו על עדויות למוצקות-על בחומר זה. עם זאת, חקירה נוספת של אותם חוקרים גילו שהם טעו, והתצפיות שלהם יכולות להיות מוסבר בדרכים אחרות.

ניסויים אחרונים יותר הראו כי גזים קוונטיים דו-קוטביים המתארכים בכיוון אחד יכולים לעבור מעבר פאזה מעיבוי רגיל של Bose-Einstein (BEC) למצב בעל תכונות על-סולידיות. לאטומים בגזים דו-קוטביים יש מומנטים מגנטיים גדולים ויחסי הגומלין ביניהם הם שמביאים לסופר-סולידיות במערכות אלו.

שכבות של ראיות

חוקרים בראשות גנג סו ב האוניברסיטה של ​​האקדמיה הסינית למדעים (CAS) בבייג'ין אומרים כעת שהם מצאו את האנלוג המגנטי הקוונטי של סוליד-על באנטי-פרומגנט שסונתז לאחרונה עם הנוסחה הכימית Na₂BaCo(PO₄)₂. תרכובת זו, המכונה NBCP, מציגה גם אפקט מגנטו-קלורי ענק, כלומר היא מתחממת ומתקררת באופן דרמטי כאשר שדה מגנטי חיצוני מופעל ומסיר אותו.

סו ועמיתיו וויי לי של המכון לפיזיקה תיאורטית, CAS; ג'ונסן שיאנג ו שמש פייג'י מ המכון לפיזיקה, CAS, ו וונטאו ג'ין at אוניברסיטת Beihang ביצעו את המדידות המגנטו-קלוריות שלהם בטמפרטורות מתחת ל-1 K. ההסכמה המצוינת בין הנתונים הניסיוניים שלהם לבין חישובים תיאורטיים של מעברי פאזה קוונטיים על-סוליד עזר לשכנע אותם שהם צופים ב-Supersolid חדש.

אישור נוסף הגיע מראיות מיקרוסקופיות שהם השיגו על ידי עריכת ניסויי עקיפה של נויטרונים על דגימות באיכות גבוהה של NBCP ב- מכון לאו-לנגווין בצרפת וב ארגון המדע והטכנולוגיה הגרעיני האוסטרלי. "פסגות העקיפה חשפו סדר תלת-תת-סריג בתוך המישור, סדר מוצק ואי-התאמה בכיוון מחוץ למישור", אומר סו. "זה האחרון יכול להיות קשור לקיומם של מצבי גולדסטון חסרי פערים (צורה של שבירת סימטריה בבוזונים) ולכן תומך בקיום של ספין-על-נוזליות במתחם."

מצב קוונטי חדש של חומר ומנגנון קירור חדש

צוות CAS בחר לחקור את NBCP מכיוון שהוא מציג תנודות ספין חזקות באנרגיה נמוכה, מה שמצביע על מצב נוזלי ספין קוונטי אפשרי. זהו גם אנטי-פרומגנט, כלומר שלא כמו פרומגנטים קונבנציונליים, שיש להם ספינים אלקטרוניים מקבילים, ספיני האלקטרונים שלו נוטים להתיישר אנטי-מקבילים זה לזה. אנטי יישור זה מוביל לאינטראקציות חזקות בין הספינים.

לאחר שאחד מחברי הצוות הציע שאולי קיים ספין-סוליד-על ב-NBCP, לי וגאנג שאלו את עמיתיהם הנסיינים שיאנג, ג'ין וסאן אם אפשר לחפש מצבי ספין קוונטיים חדשים במתחם. "הם עשו וצפו במצב הקוונטי החדש של החומר, הספין-על-סוליד", נזכר לי.

בנוסף לחשוף מצב קוונטי חדש של החומר, התגלית יכולה להוביל גם לשיטות קירור תת-קלווין חדשות ללא הליום. אלה מבוקשים מאוד עבור מדעי החומרים, טכנולוגיה קוונטית ויישומי חלל, בין היתר, מספר לי עולם הפיזיקה.

לי מסביר שיש כיום שתי דרכים עיקריות לקרר חומרים לטמפרטורות של מעט קלווין. הראשון הוא להשתמש בהליום, שהופך לנוזל בטמפרטורות מתחת ל-4.15 K. השני הוא לנצל את ההשפעה המגנטו-קלורית, שבה חומרים מסוימים משנים טמפרטורה בהשפעת שדה מגנטי מופעל. לשתי הטכניקות הללו יש את החסרונות שלהן: הליום הוא דל ולכן יקר, בעוד שהמעמד המיוחד של תרכובות המשמשות לקירור מגנטו-קלוריות (הידוע כמלחים פרמגנטיים hydrated) הם בעלי צפיפות אנטרופיה מגנטית נמוכה, יציבות כימית גרועה ומוליכות תרמית נמוכה. עם זאת, לי טוען שהאפקט המגנטו-קלורית הענק בסופר-סוליד הספין החדש שהתגלה יכול "להתגבר ביעילות על החסרונות הללו" על ידי ניצול עירורי ספין קולקטיביים באנרגיות נמוכות.

מחפש ספין על מוצקים אחרים

החוקרים מנסים כעת להשיג ראיות דינמיות נוספות לעל-סולידיות ספין ב-NBCP. לשם כך, ג'ין אומר שהם מבצעים מדידות פיזור נויטרונים לא אלסטיות כדי לחקור את מצבי גולדסטון הקשורים לסדר הספין העל-נוזל. הם גם מתכננים לערוך ניסויים של עקיפה נויטרונים מקוטבים כדי לחזק עוד יותר את הממצאים שלהם.

לבסוף, הצוות חוקר תרכובות סריג משולש אחרות במאמץ לזהות מצבי ספין סופר-סולידיים נוספים או מצבי ספין אקזוטיים אחרים. "על ידי כך, אנו מקווים להבין טוב יותר את התופעות הפיזיקליות הבסיסיות שמובילות לשלבים קוונטיים מסקרנים אלה של החומר", אומר סו.

המחקר הנוכחי שלהם מפורט ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/