현재 나노기술 - 보도 자료: 세 가지 접근 방식으로 양자 스핀 액체의 품질 식별

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70년대 초반 필 앤더슨(Phil Anderson)이 조사한 격자 그림. 녹색 타원으로 표시된 양자 입자 쌍은 여러 조합 사이에서 변동하여 스핀 액체 상태를 생성합니다.

신용
Allen Scheie/로스앨러모스 국립연구소, 미국 에너지부

요약 :
1973년 물리학자 필 앤더슨(Phil Anderson)은 양자 스핀 액체(QSL) 상태가 일부 삼각형 격자에 존재한다는 가설을 세웠지만 더 깊이 탐구할 수 있는 도구가 부족했습니다. 2년 후, 에너지부 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에 본부를 둔 양자 과학 센터(Quantum Science Center) 소속 연구자들이 이끄는 팀은 이 구조를 가진 새로운 물질인 KYbSeXNUMX에서 QSL 거동이 존재함을 확인했습니다.

세 가지 접근 방식으로 양자 스핀 액체의 품질 식별

오크리지, 테네시 | 게시일: 17년 2023월 XNUMX일

스핀이라고 불리는 얽혀 있거나 본질적으로 연결된 자성 원자 간의 상호 작용에 의해 제어되는 물질의 특이한 상태인 QSL은 KYbSe2 및 기타 델라포사이트의 양자 역학적 활동을 안정화하는 데 탁월합니다. 이러한 재료는 고품질 초전도체 및 양자 컴퓨팅 구성 요소의 구성에 기여할 수 있는 적층형 삼각형 격자와 유망한 특성으로 인해 높이 평가됩니다.

Nature Physics에 게재된 이 논문은 ORNL의 연구원들을 대상으로 합니다. 로렌스 버클리 국립 연구소; 로스앨러모스 국립연구소; SLAC 국립 가속기 연구소; 테네시 대학교, 녹스빌; 미주리 대학교; 미네소타 대학교; 스탠포드 대학교; 그리고 로사리오 물리학 연구소.

"연구원들은 QSL 거동을 찾기 위해 다양한 재료의 삼각형 격자를 연구했습니다"라고 QSC 회원이자 주저자인 Los Alamos의 연구원인 Allen Scheie가 말했습니다. "이것의 장점 중 하나는 원자를 쉽게 교체하여 구조를 변경하지 않고도 재료의 특성을 수정할 수 있다는 것이며 이는 과학적 관점에서 볼 때 매우 이상적입니다."

이론, 실험 및 계산 기술의 조합을 사용하여 팀은 양자 얽힘, 이국적인 준입자 및 스핀이 이웃에 영향을 미치는 방식을 제어하는 교환 상호 작용의 올바른 균형 등 QSL의 여러 특징을 관찰했습니다. 이러한 특징을 식별하려는 노력은 역사적으로 물리적 실험의 한계로 인해 방해를 받았지만 현대 중성자 산란 장비는 원자 수준에서 복잡한 물질을 정확하게 측정할 수 있습니다.

ORNL의 Spallation Neutron Source(DOE Office of Science 사용자 시설)에서 Cold Neutron Chopper Spectrometer를 사용하여 KYbSe2의 스핀 역학을 조사하고 그 결과를 신뢰할 수 있는 이론 모델과 비교함으로써 연구진은 이 물질이 양자 임계점에 가깝다는 증거를 발견했습니다. QSL 특성이 발전합니다. 그런 다음 그들은 SNS의 Wide-Angular-Range Chopper Spectrometer를 사용하여 단일 이온 자기 상태를 분석했습니다.

문제의 증인은 1차원 스핀 체인, 즉 물질 내 단일 스핀 라인을 조사하는 데 초점을 맞춘 이전 QSC 연구에서 핵심 역할을 했던 2얽힘, 2얽힘 및 양자 피셔 정보입니다. KYbSeXNUMX는 이러한 노력을 더욱 복잡하게 만드는 품질인 XNUMXD 시스템입니다.

QSC의 양자 자석 프로젝트를 이끌고 있는 UTK의 물리학, 재료 과학 및 공학 교수인 Alan Tennant는 "우리는 QSC에 내장된 공동 설계 접근 방식을 취하고 있습니다."라고 말했습니다. "센터 내의 이론가들은 이전에 계산할 수 없었던 것들을 계산하고 있으며, 이론과 실험의 이러한 중첩이 QSL 연구에서 획기적인 발전을 가능하게 했습니다."

이 연구는 기초 연구를 양자 전자, 양자 자석 및 기타 현재와 미래의 양자 장치에 연결하는 것을 포함하는 QSC의 우선 순위와 일치합니다.

Tennant는 "QSL에 대한 더 나은 이해를 얻는 것은 차세대 기술 개발에 매우 중요합니다."라고 말했습니다. "이 분야는 여전히 기초적인 연구 상태에 있지만 이제 잠재적으로 소규모 장치를 처음부터 만들기 위해 어떤 재료를 수정할 수 있는지 확인할 수 있습니다."

KYbSe2는 진정한 QSL은 아니지만 저온에서 자성의 약 85%가 변동한다는 사실은 QSL이 될 가능성이 있음을 의미합니다. 연구자들은 구조가 약간 변경되거나 외부 압력에 노출되면 잠재적으로 100%에 도달하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 예상합니다.

QSC 실험가들과 전산 과학자들은 델라포사이트 재료에 초점을 맞춘 병행 연구와 시뮬레이션을 계획하고 있지만, 연구진의 발견은 다른 시스템 연구에도 적용할 수 있는 전례 없는 프로토콜을 확립했습니다. QSL 후보자에 대한 증거 기반 평가를 간소화함으로써 진정한 QSL 검색을 가속화하는 것을 목표로 합니다.

“이 자료의 중요한 점은 우리가 지도에서 방향을 정하여 우리가 옳은 것을 말하고 보여줄 수 있는 방법을 찾았다는 것입니다.”라고 Scheie는 말했습니다. "우리는 이 화학 공간 어딘가에 완전한 QSL이 있다고 확신하며 이제 그것을 찾는 방법을 알고 있습니다."

이 작업은 DOE, QSC, 국립 과학 기술 연구 협의회 및 Simons 재단의 지원을 받았습니다.

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DOE/오크리지 국립연구소 소개
ORNL이 이끄는 DOE 국립 양자 정보 과학 연구 센터인 QSC는 양자 상태 탄력성, 제어 가능성 및 궁극적으로 양자 기술의 확장성에 대한 주요 장애물을 극복하기 위해 국립 연구소, 대학 및 업계 파트너에서 최첨단 연구를 수행합니다. QSC 연구원들은 위상학적 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 재료를 설계하고 있습니다. 토폴로지 상태를 특성화하고 암흑 물질을 감지하기 위해 새로운 양자 센서를 구현합니다. 양자 재료, 화학 및 양자 장 이론에 대한 더 큰 이해를 제공하기 위해 양자 알고리즘 및 시뮬레이션을 설계합니다. 이러한 혁신을 통해 QSC는 정보 처리를 가속화하고 이전에는 측정할 수 없었던 것을 탐색하며 기술 전반에 걸쳐 양자 성능을 더 잘 예측할 수 있습니다. 자세한 내용은 다음을 방문하세요. https://qscience.org .

UT-Battelle은 미국 내 자연과학 분야의 기초 연구를 지원하는 최대 규모의 단일 기관인 DOE 산하 Office of Science의 ORNL을 관리합니다. DOE의 과학 사무국은 우리 시대의 가장 시급한 과제 중 일부를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 다음을 방문하세요. https://energy.gov/science . — 엘리자베스 로젠탈

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연락처 :
엘리자베스 로젠탈
DOE/오크리지 국립연구소
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