Spin Supersolid pojawia się w kwantowym antyferromagnesie – Świat fizyki

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Rysunek ilustrujący proces adiabatycznego chłodzenia superstałego spinu w porównaniu z chłodzeniem paramagnetycznym — Rysunek ilustruje proces adiabatycznego chłodzenia superstałego spinu w porównaniu z chłodzeniem paramagnetycznym, podkreślając unikalne cechy chłodzenia superstałego spinowego. Wstawki zawierają również strukturę siatki trójkątnej oraz urządzenia doświadczalne (ze związkami NBCP) do adiabatycznych pomiarów magnetokalorycznych. (Dzięki uprzejmości: W Li)

Naukowcy z Chin, Francji i Australii znaleźli nowe dowody na istnienie egzotycznego kwantowego stanu materii zwanego superstałą spinową. Odkrycie dokonane w materiale antyferromagnetycznym o trójkątnej strukturze sieci atomowej stanowi przełom w fizyce podstawowej i może również pomóc w opracowaniu nowych technik chłodzenia, które nie wymagają ciekłego helu, ponieważ materiał ten wykazuje również gigantyczny efekt magnetokaloryczny.

Jak sama nazwa wskazuje, superstałe to materiały, które płyną bez tarcia (jak nadciekły), mimo że ich cząstki składowe są ułożone w sieć krystaliczną (jak ciało stałe). Jako takie materiały te łamią dwie ciągłe symetrie: niezmienność translacyjną ze względu na porządek krystaliczny; i symetria miernika dzięki beztarciowemu przepływowi materiału.

Teoretycy przewidywali w latach sześćdziesiątych XX wieku, że supersolidy powinny istnieć w ciałach stałych kwantowych z tak zwanymi ruchomymi wakatami bozonowymi, czyli przerwami powstałymi, gdy atomy o spinach całkowitych przemieszczają się przez sieć krystaliczną. Począwszy od lat 1960. XX wieku badania eksperymentalne skupiały się na wskazówkach, że w nadciekłym helu-1980 może występować nadciekłość. W 4 roku fizycy z Pennsylvania State University w USA przedstawili dowody na supersolidność tego materiału. Jednak dalsze badania przez tych samych badaczy okazało się, że się mylilii ich obserwacje mogą być wyjaśnione w inny sposób.

Nowsze eksperymenty wykazali, że dipolarne gazy kwantowe wydłużone w jednym kierunku mogą przejść przemianę fazową ze zwykłego kondensatu Bosego-Einsteina (BEC) do stanu o właściwościach superstałych. Atomy w gazach dipolarnych mają duże momenty magnetyczne i to właśnie interakcje między nimi powodują powstanie supersolidności w tych układach.

Warstwy dowodów

Naukowcy prowadzeni przez Gang Su na Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk (CAS) w Pekinie twierdzą teraz, że znaleźli kwantowo-magnetyczny analog superstałego w niedawno zsyntetyzowanym antyferromagnesie o wzorze chemicznym Na₂BaCo(PO₄)₂. Związek ten, znany jako NBCP, wykazuje również gigantyczny efekt magnetokaloryczny, co oznacza, że nagrzewa się i gwałtownie ochładza, gdy przyłożone i usunięte zostanie zewnętrzne pole magnetyczne.

Su i współpracownicy Wei Li ukończenia Instytut Fizyki Teoretycznej, CAS; Junsena Xianga i Peijie Sun z Instytut Fizyki, CASOraz Wentao Jin at Uniwersytet Beihang przeprowadzili pomiary magnetokaloryczne w temperaturach poniżej 1 K. Doskonała zgodność między danymi eksperymentalnymi a teoretycznymi obliczeniami kwantowych przejść fazowych superstałego pomogła im przekonać się, że obserwują nową superstałą spinową.

Dalsze potwierdzenie pochodziło z dowodów mikroskopowych, które uzyskali w wyniku przeprowadzenia eksperymentów dyfrakcji neutronów na wysokiej jakości próbkach NBCP w Instytut Laue-Langevina we Francji i Australijska Organizacja Nauki i Technologii Jądrowej. „Piki dyfrakcyjne ujawniły w płaszczyźnie porządek trzech podsieci, porządek bryłowy i niewspółmierność w kierunku poza płaszczyzną” – mówi Su. „To ostatnie można powiązać z istnieniem bezprzerwowych modów Goldstone'a (forma łamania symetrii w bozonach), a zatem potwierdza istnienie nadciekłości spinowej w związku”.

Nowy kwantowy stan materii i nowy mechanizm chłodzenia

Zespół CAS zdecydował się zbadać NBCP, ponieważ wykazuje on silne fluktuacje spinu o niskiej energii, co wskazuje na możliwy kwantowy stan cieczy spinowej. Jest także antyferromagnesem, co oznacza, że w przeciwieństwie do konwencjonalnych ferromagnetyków, które mają równoległe spiny elektronów, ich spiny elektronów mają tendencję do ustawiania się względem siebie antyrównolegle. To anty-wyrównanie prowadzi do silnych interakcji między spinami.

Po tym, jak jeden z członków zespołu zasugerował, że w NBCP może istnieć supersolid spinowy, Li i Gang zapytali swoich kolegów-eksperymentatorów, Xianga, Jin i Sun, czy możliwe jest poszukiwanie nowych kwantowych stanów spinowych w związku. „Zrobili to i zaobserwowali nowy kwantowy stan materii, supersolid spinowy” – wspomina Li.

Oprócz odkrycia nowego kwantowego stanu materii, odkrycie może również prowadzić do nowych metod chłodzenia w temperaturze poniżej Kelwina bez użycia helu. Są one bardzo poszukiwane między innymi w materiałoznawstwie, technologii kwantowej i zastosowaniach kosmicznych, mówi Li Świat Fizyki.

Supersolidność wkracza w drugi wymiar

Li wyjaśnia, że obecnie istnieją dwa główne sposoby schładzania materiałów do temperatur kilku Kelwinów. Pierwszy polega na wykorzystaniu helu, który przechodzi w stan ciekły w temperaturze poniżej 4.15 K. Drugi polega na wykorzystaniu efektu magnetokalorycznego, w którym niektóre materiały zmieniają temperaturę pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego. Obie te techniki mają swoje wady: helu jest mało i dlatego jest drogi, podczas gdy specjalna klasa związków stosowanych do chłodzenia magnetokalorycznego (znana jako uwodnione sole paramagnetyczne) ma niską gęstość entropii magnetycznej, słabą stabilność chemiczną i niską przewodność cieplną. Li twierdzi jednak, że gigantyczny efekt magnetokaloryczny w nowo odkrytej superstałej spinowej mógłby „skutecznie przezwyciężyć te wady” poprzez wykorzystanie zbiorowych wzbudzeń spinowych przy niskich energiach.

Poszukuję innych supersolidów spinowych

Naukowcy próbują obecnie uzyskać dodatkowe dynamiczne dowody na supersolidność spinu w NCCP. W tym celu Jin twierdzi, że wykonują pomiary niesprężystego rozpraszania neutronów, aby zbadać mody Goldstone'a powiązane z porządkiem nadciekłym spinowym. Planują także przeprowadzić eksperymenty z dyfrakcją spolaryzowanych neutronów, aby jeszcze bardziej wzmocnić swoje odkrycia.

Na koniec zespół bada inne związki tworzące sieć trójkątną, próbując zidentyfikować dodatkowe stany superstałe ze spinem lub inne egzotyczne stany spinowe. „Dzięki temu mamy nadzieję lepiej zrozumieć podstawowe zjawiska fizyczne, które powodują powstawanie tych intrygujących kwantowych faz materii” – mówi Su.

Ich obecne badania są szczegółowo opisane w Natura.