Spin Supersolid verschijnt in een kwantum-antiferromagneet – Physics World

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Figuur die het adiabatische koelproces van een spin-supersolid illustreert, vergeleken met paramagnetische koeling — De figuur illustreert het adiabatische koelproces van een spin-supersolid, vergeleken met paramagnetische koeling, en benadrukt de unieke kenmerken van spin-supersolid-koeling. De driehoekige roosterstructuur en experimentele apparaten (met NBCP-verbindingen) voor adiabatische magnetocalorische metingen zijn ook opgenomen in de inzetstukken. (Met dank: W Li)

Onderzoekers in China, Frankrijk en Australië hebben nieuw bewijs gevonden voor een exotische kwantumtoestand die een spin-supersolid wordt genoemd. De ontdekking, gedaan in een antiferromagnetisch materiaal met een driehoekige atomaire roosterstructuur, vertegenwoordigt een doorbraak in de fundamentele natuurkunde en zou ook kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe koeltechnieken waarvoor geen vloeibaar helium nodig is, omdat het materiaal ook een gigantisch magnetocalorisch effect vertoont.

Zoals hun naam al aangeeft, zijn supervaste stoffen materialen die zonder wrijving stromen (zoals een supervloeistof), ook al zijn hun samenstellende deeltjes gerangschikt in een kristallijn rooster (zoals een vaste stof). Als zodanig doorbreken deze materialen twee continue symmetrieën: translationele invariantie, als gevolg van de kristallijne orde; en ijksymmetrie, vanwege de wrijvingsloze stroming van het materiaal.

Theoretici voorspelden in de jaren zestig dat er supersolids zouden moeten bestaan in quantum solids met zogenaamde mobiele bosonische vacatures – dat wil zeggen gaten die achterblijven als atomen met gehele spinwaarden door het kristallijne rooster bewegen. Vanaf de jaren tachtig concentreerde experimenteel onderzoek zich op aanwijzingen dat supersoliditeit zou kunnen optreden in superfluïde helium-1960. In 1980 rapporteerden natuurkundigen van de Pennsylvania State University in de VS bewijs voor supersoliditeit in dit materiaal. Wel verder onderzoek door dezelfde onderzoekers bleek dat ze zich vergisten, en hun observaties zouden dat ook kunnen zijn op andere manieren uitgelegd.

Recentere experimenten hebben aangetoond dat dipolaire kwantumgassen die in één richting zijn uitgerekt, een faseovergang kunnen ondergaan van een regulier Bose-Einstein-condensaat (BEC) naar een toestand met supersolide eigenschappen. Atomen in dipolaire gassen hebben grote magnetische momenten en het zijn de interacties daartussen die aanleiding geven tot supersoliditeit in deze systemen.

Lagen van bewijs

Onderzoekers geleid door Bende Su de Universiteit van Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) in Peking zeggen nu dat ze de kwantummagnetische analoog van een supervaste stof hebben gevonden in een recentelijk gesynthetiseerde antiferromagneet met de chemische formule Na₂BaCo(PO₄)₂. Deze verbinding, bekend als NBCP, vertoont ook een gigantisch magnetocalorisch effect, wat betekent dat het dramatisch opwarmt en afkoelt wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd en verwijderd.

Su en collega's Wei Li van de Instituut voor Theoretische Fysica, CAS; Junsen Xiang en Peijie zon van het Instituut voor Natuurkunde, CASund Wentao Jin at Beihang University voerden hun magnetocalorische metingen uit bij temperaturen onder 1 K. De uitstekende overeenkomst tussen hun experimentele gegevens en theoretische berekeningen van supersolide kwantumfase-overgangen hielp hen ervan te overtuigen dat ze een nieuwe spin-supersolid waarnamen.

Verdere bevestiging kwam van microscopisch bewijs dat ze verkregen door het uitvoeren van neutronendiffractie-experimenten op hoogwaardige monsters van NBCP aan de Instituut Laue-Langevin in Frankrijk en de Australische organisatie voor nucleaire wetenschap en technologie. “De diffractiepieken onthulden een orde van drie subroosters in het vlak, een vaste orde en incommensurabiliteit in de richting buiten het vlak”, zegt Su. “Dit laatste kan in verband worden gebracht met het bestaan van gapless Goldstone-modi (een vorm van symmetriebreuk in bosonen) en ondersteunt daarom het bestaan van spin-superfluïditeit in de verbinding.”

Een nieuwe kwantumtoestand van materie en een nieuw afkoelingsmechanisme

Het CAS-team koos ervoor om NBCP te bestuderen omdat het sterke spinfluctuaties met lage energie vertoont, wat wijst op een mogelijke vloeibare kwantumspin-toestand. Het is ook een antiferromagneet, wat betekent dat, in tegenstelling tot conventionele ferromagneten, die parallelle elektronenspins hebben, de elektronenspins de neiging hebben antiparallel ten opzichte van elkaar uit te lijnen. Deze anti-uitlijning leidt tot sterke interacties tussen de spins.

Nadat een van de teamleden suggereerde dat er mogelijk een spin-supersolid bestaat in NBCP, vroegen Li en Gang hun experimentele collega's Xiang, Jin en Sun of het mogelijk was om in de compound naar nieuwe kwantumspintoestanden te zoeken. ‘Dat deden ze en observeerden de nieuwe kwantumtoestand van de materie, de supersolide spin’, herinnert Li zich.

De ontdekking onthult niet alleen een nieuwe kwantumtoestand van de materie, maar zou ook kunnen leiden tot nieuwe heliumvrije sub-Kelvin-koelingsmethoden. Deze zijn zeer gewild voor onder meer materiaalkunde, kwantumtechnologie en ruimtevaarttoepassingen, vertelt Li Natuurkunde wereld.

Supersoliditeit betreedt een tweede dimensie

Li legt uit dat er momenteel twee manieren zijn om materialen af te koelen tot temperaturen van enkele Kelvin. De eerste is het gebruik van helium, dat vloeibaar wordt bij temperaturen onder 4.15 K. De tweede is het benutten van het magnetocalorische effect, waarbij bepaalde materialen van temperatuur veranderen onder invloed van een aangelegd magnetisch veld. Beide technieken hebben hun nadelen: helium is schaars en daarom duur, terwijl de speciale klasse verbindingen die worden gebruikt voor magnetocalorische koeling (bekend als gehydrateerde paramagnetische zouten) een lage magnetische entropiedichtheid, slechte chemische stabiliteit en lage thermische geleidbaarheid hebben. Li beweert echter dat het gigantische magnetocalorische effect in de nieuw ontdekte spin-supersolide “deze nadelen effectief zou kunnen overwinnen” door gebruik te maken van collectieve spin-excitaties bij lage energieën.

Op zoek naar andere spin-supersolids

De onderzoekers proberen nu aanvullend dynamisch bewijs te verkrijgen voor spin-supersoliditeit in NBCP. Daartoe zegt Jin dat ze inelastische neutronenverstrooiingsmetingen uitvoeren om de Goldstone-modi te onderzoeken die verband houden met de spin-superfluïde orde. Ze zijn ook van plan gepolariseerde neutronendiffractie-experimenten uit te voeren om hun bevindingen verder te versterken.

Ten slotte onderzoekt het team andere driehoekige roosterverbindingen in een poging om extra spin-supersolide toestanden of andere exotische spintoestanden te identificeren. ‘Door dit te doen hopen we de onderliggende fysische verschijnselen die aanleiding geven tot deze intrigerende kwantumfasen van materie beter te begrijpen’, zegt Su.

Hun huidige studie wordt gedetailleerd beschreven in NATUUR.