Spin Supersolid vises i en kvante-antiferromagnet – Physics World

Publisert av Platon

Følgere: 0

Figur som illustrerer den adiabatiske kjøleprosessen til et spinn-supersolid sammenlignet med paramagnetisk kjøling — Figuren illustrerer den adiabatiske kjøleprosessen til et spinn-supersolid sammenlignet med paramagnetisk kjøling, og fremhever de unike egenskapene til spinn-supersolid-kjøling. Den trekantede gitterstrukturen og eksperimentelle enheter (med NBCP-forbindelser) for adiabatiske magnetokaloriske målinger er også inkludert i innleggene. (Med tillatelse: W Li)

Forskere i Kina, Frankrike og Australia har funnet nye bevis for en eksotisk kvantetilstand av materie kalt et spinn-supersolid. Oppdagelsen, gjort i et antiferromagnetisk materiale med en trekantet atomgitterstruktur, representerer et gjennombrudd i grunnleggende fysikk og kan også hjelpe utviklingen av nye kjøleteknikker som ikke krever flytende helium, siden materialet også viser en gigantisk magnetokalorisk effekt.

Som navnet tilsier, er supersolider materialer som flyter uten friksjon (som en supervæske) selv om komponentpartiklene deres er ordnet i et krystallinsk gitter (som et fast stoff). Som sådan bryter disse materialene to kontinuerlige symmetrier: translasjonsinvarians, på grunn av den krystallinske rekkefølgen; og måle symmetri, på grunn av materialets friksjonsfrie flyt.

Teoretikere spådde på 1960-tallet at supersolider skulle eksistere i kvantefaste stoffer med såkalte mobile bosoniske vakanser - det vil si hull etterlatt når atomer med heltallsspinnverdier beveger seg gjennom det krystallinske gitteret. Fra og med 1980-tallet fokuserte eksperimentell forskning på hint om at supersoliditet kan forekomme i superfluid helium-4. I 2004 rapporterte fysikere ved Pennsylvania State University i USA bevis for supersoliditet i dette materialet. Imidlertid videre etterforskning av de samme forskerne avslørte at de tok feil, og deres observasjoner kan være forklart på andre måter.

Nyere eksperimenter har vist at dipolare kvantegasser forlenget i én retning kan gjennomgå en faseovergang fra et vanlig Bose-Einstein-kondensat (BEC) til en tilstand med supersolide egenskaper. Atomer i dipolare gasser har store magnetiske momenter og det er interaksjonene mellom dem som gir opphav til supersoliditet i disse systemene.

Lag av bevis

Forskere ledet av Gang Su på University of Chinese Academy of Sciences (CAS) i Beijing sier nå at de har funnet den kvantemagnetiske analogen til et supersolid i en nylig syntetisert antiferromagnet med den kjemiske formelen Na₂BaCo(PO₄)₂. Denne forbindelsen, kjent som NBCP, viser også en gigantisk magnetokalorisk effekt, noe som betyr at den varmes opp og kjøles ned dramatisk når et eksternt magnetfelt påføres og fjernes.

Su og kolleger Wei Li av Institutt for teoretisk fysikk, CAS; Junsen Xiang og Peijie Sun fra Institutt for fysikk, CAS, Og Wentao Jin at Beihang University utførte sine magnetokaloriske målinger ved temperaturer under 1 K. Den utmerkede samsvar mellom deres eksperimentelle data og teoretiske beregninger av supersolid kvantefaseoverganger bidro til å overbevise dem om at de observerte et nytt spinn supersolid.

Ytterligere bekreftelse kom fra mikroskopiske bevis de oppnådde ved å utføre nøytrondiffraksjonseksperimenter på høykvalitetsprøver av NBCP ved Institut Laue-Langevin i Frankrike og Australian Nuclear Science and Technology Organization. "Diffraksjonstoppene avslørte i-plan tre-subgitter rekkefølge, solid orden og incommensurability i ut-av-planet retning," sier Su. "Sistnevnte kan relateres til eksistensen av gapløse Goldstone-moduser (en form for symmetribrudd i bosoner) og støtter derfor eksistensen av spinn-overfluiditet i forbindelsen."

En ny kvantetilstand av materie og en ny kjølemekanisme

CAS-teamet valgte å studere NBCP fordi det viser sterke spinnfluktuasjoner med lav energi, noe som indikerer en mulig kvantespinn væsketilstand. Det er også en antiferromagnet, noe som betyr at i motsetning til konvensjonelle ferromagneter, som har parallelle elektronspinn, har elektronspinnene en tendens til å justere antiparallelt med hverandre. Denne anti-justeringen fører til sterke interaksjoner mellom spinnene.

Etter at et av teamets medlemmer antydet at et spinn-supersolid kunne eksistere i NBCP, spurte Li og Gang sine eksperimentelle kolleger Xiang, Jin og Sun om det var mulig å se etter nye kvantespinntilstander i forbindelsen. "De gjorde og observerte den nye kvantetilstanden til materie, spinn-supersolid," minnes Li.

I tillegg til å avsløre en ny kvantetilstand av materie, kan oppdagelsen også føre til nye heliumfrie sub-Kelvin-kjølingsmetoder. Disse er svært ettertraktet for blant annet materialvitenskap, kvanteteknologi og romapplikasjoner, forteller Li Fysikkens verden.

Supersoliditet går inn i en andre dimensjon

Li forklarer at det for øyeblikket er to hovedmåter å kjøle ned materialer til få Kelvin-temperaturer. Den første er å bruke helium, som blir en væske ved temperaturer under 4.15 K. Den andre er å utnytte den magnetokaloriske effekten, der visse materialer endrer temperatur under påvirkning av et påført magnetfelt. Begge disse teknikkene har sine ulemper: helium er lite og derfor dyrt, mens den spesielle klassen av forbindelser som brukes til magnetokalorisk kjøling (kjent som hydratiserte paramagnetiske salter) har lav magnetisk entropytetthet, dårlig kjemisk stabilitet og lav varmeledningsevne. Imidlertid hevder Li at den gigantiske magnetokaloriske effekten i det nyoppdagede spinn-supersolid kunne "effektivt overvinne disse ulempene" ved å utnytte kollektive spinneksitasjoner ved lave energier.

Ser etter andre spinn supersolider

Forskerne prøver nå å skaffe ytterligere dynamisk bevis for spinn-supersoliditet i NBCP. For dette formål sier Jin at de utfører uelastiske nøytronspredningsmålinger for å undersøke Goldstone-modusene knyttet til spinn-superfluid-rekkefølgen. De planlegger også å gjennomføre polariserte nøytrondiffraksjonseksperimenter for å styrke funnene deres ytterligere.

Til slutt undersøker teamet andre trekantede gitterforbindelser i et forsøk på å identifisere ytterligere spinn-supersolid-tilstander eller andre eksotiske spinntilstander. "Ved å gjøre det håper vi å bedre forstå de underliggende fysiske fenomenene som gir opphav til disse spennende kvantefasene av materie," sier Su.

Deres nåværende studie er detaljert i Natur.