스핀 초고체는 양자 반강자성체에 나타난다 – 물리학 세계

중국, 프랑스, ​​호주의 연구자들이 스핀 초고체라고 불리는 이국적인 양자 상태에 대한 새로운 증거를 발견했습니다. 삼각형 원자 격자 구조를 가진 반강자성 물질에서 이루어진 이번 발견은 기초 물리학의 획기적인 발전을 의미하며, 이 물질이 거대한 자기열량 효과도 나타내기 때문에 액체 헬륨을 필요로 하지 않는 새로운 냉각 기술의 개발에도 도움이 될 수 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이 초고체는 구성 입자가 (고체와 같이) 결정 격자로 배열되어 있음에도 불구하고 (초유체와 같이) 마찰 없이 흐르는 물질입니다. 따라서 이러한 물질은 두 가지 연속적인 대칭성을 깨뜨립니다. 즉, 결정질 순서로 인한 병진 불변성; 재료의 마찰 없는 흐름으로 인해 게이지 대칭이 발생합니다.

이론가들은 1960년대에 초고체는 소위 이동 보존 공극(mobile bosonic vacancy), 즉 정수 스핀 값을 갖는 원자가 결정 격자를 통해 이동할 때 남겨지는 간격을 갖는 양자 고체에 존재해야 한다고 예측했습니다. 1980년대부터 실험적 연구는 초유체 헬륨-4에서 초고체가 발생할 수 있다는 힌트에 중점을 두었습니다. 2004년 미국 펜실베이니아 주립대학교 물리학자들은 이 물질이 초고체라는 증거를 보고했습니다. 그러나 동일한 연구자의 추가 조사 그들이 착각했음을 폭로했다, 그리고 그들의 관찰은 다음과 같을 수 있습니다. 다른 방법으로 설명하다.

최근 실험 한 방향으로 늘어난 쌍극자 양자 가스는 일반적인 보스-아인슈타인 응축물(BEC)에서 초고체 특성을 갖는 상태로 상전이를 겪을 수 있음을 보여주었습니다. 쌍극자 가스의 원자는 큰 자기 모멘트를 가지며 이러한 시스템에서 초고체를 일으키는 것은 원자 사이의 상호 작용입니다.

증거의 계층

연구원 주도 강수 에 중국과학원대학교(CAS) 베이징에서는 최근 합성된 화학식 Na를 갖는 반강자성체에서 초고체의 양자 자기 유사체를 발견했다고 밝혔습니다.₂바코(PO₄)₂. NBCP로 알려진 이 화합물은 또한 거대한 자기열량 효과를 나타냅니다. 즉, 외부 자기장이 가해지고 제거될 때 극적으로 가열되고 냉각됩니다.

수와 동료들 웨이 리 의 CAS 이론 물리학 연구소; 준센 시앙 및 페이지에 선 인사말 CAS 물리학 연구소및 진 웬타오 at 북한 대학교 1K 미만의 온도에서 자기열량 측정을 수행했습니다. 실험 데이터와 초고체 양자 상전이의 이론적 계산 사이의 뛰어난 일치는 그들이 새로운 스핀 초고체를 관찰하고 있다는 것을 확신시키는 데 도움이 되었습니다.

추가 확인은 NBCP의 고품질 샘플에 대한 중성자 회절 실험을 수행하여 얻은 미세한 증거에서 나왔습니다. 라우에-랑주뱅 연구소 프랑스와 호주 원자력 과학 기술기구. "회절 피크는 면내 3-부격자 순서, 솔리드 순서 및 면외 방향의 비공약성을 나타냅니다."라고 Su는 말했습니다. "후자는 틈이 없는 Goldstone 모드(보손에서 대칭이 깨지는 형태)의 존재와 관련될 수 있으며 따라서 화합물에 스핀 초유동성의 존재를 뒷받침합니다."

물질의 새로운 양자 상태와 새로운 냉각 메커니즘

CAS 팀은 NBCP가 강력한 저에너지 스핀 변동을 보여 가능한 양자 스핀 액체 상태를 나타 내기 때문에 연구하기로 결정했습니다. 이는 또한 반강자성체로서, 평행한 전자 스핀을 갖는 기존의 강자성체와 달리 전자 스핀이 서로 역평행하게 정렬되는 경향이 있음을 의미합니다. 이러한 반정렬은 스핀들 사이에 강한 상호작용을 일으킵니다.

팀 구성원 중 한 명이 NBCP에 스핀 초고체가 존재할 수 있다고 제안한 후 Li와 Gang은 실험 동료인 Xiang, Jin 및 Sun에게 화합물에서 새로운 양자 스핀 상태를 찾는 것이 가능한지 물었습니다. Li는 “그들은 물질의 새로운 양자 상태인 스핀 초고체를 발견하고 관찰했습니다.”라고 회상합니다.

이번 발견은 물질의 새로운 양자 상태를 밝힐 뿐만 아니라 헬륨이 없는 새로운 켈빈 미만 냉각 방법으로 이어질 수도 있습니다. Li는 특히 재료 과학, 양자 기술 및 우주 응용 분야에서 높은 관심을 받고 있다고 말했습니다. 물리 세계.

Li는 현재 재료를 몇 켈빈 온도까지 냉각하는 두 가지 주요 방법이 있다고 설명합니다. 첫 번째는 4.15K 미만의 온도에서 액체가 되는 헬륨을 사용하는 것입니다. 두 번째는 특정 물질이 적용된 자기장의 영향으로 온도를 변화시키는 자기열량 효과를 활용하는 것입니다. 두 가지 기술 모두 단점이 있습니다. 헬륨은 부족하여 비용이 많이 드는 반면, 자기열량 냉각에 사용되는 특수한 종류의 화합물(수화 상자성 염이라고 함)은 자기 엔트로피 밀도가 낮고 화학적 안정성이 낮으며 열 전도성이 낮습니다. 그러나 Li는 새로 발견된 스핀 초고체의 거대한 자기열량 효과가 낮은 에너지에서 집단적인 스핀 여기를 이용함으로써 "이러한 단점을 효과적으로 극복"할 수 있다고 주장합니다.

다른 스핀 초고체 찾기

연구자들은 현재 NBCP의 스핀 초고체성에 대한 추가적인 동적 증거를 얻으려고 노력하고 있습니다. 이를 위해 Jin은 스핀 초유체 차수와 관련된 Goldstone 모드를 조사하기 위해 비탄성 중성자 산란 측정을 수행하고 있다고 말했습니다. 그들은 또한 자신들의 발견을 더욱 강화하기 위해 극성 중성자 회절 실험을 수행할 계획이다.

마지막으로 연구팀은 추가적인 스핀 초고체 상태나 다른 특이한 스핀 상태를 식별하기 위한 노력의 일환으로 다른 삼각형 격자 화합물을 조사하고 있습니다. “이를 통해 우리는 물질의 흥미로운 양자 단계를 발생시키는 근본적인 물리적 현상을 더 잘 이해할 수 있기를 바랍니다.”라고 Su는 말합니다.

그들의 현재 연구는 자연.

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