Spin Supersolid apare într-un antiferomagnet cuantic - Lumea fizicii

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Figura care ilustrează procesul de răcire adiabatică a unui supersolid de spin, în comparație cu răcirea paramagnetică — Figura ilustrează procesul de răcire adiabatică a unui supersolid de spin, în comparație cu răcirea paramagnetică, evidențiind caracteristicile unice ale răcirii supersolid de spin. Structura rețelei triunghiulare și dispozitivele experimentale (cu compuși NBCP) pentru măsurători magnetocalorice adiabatice sunt de asemenea incluse în inserturi. (Cu amabilitatea: W Li)

Cercetătorii din China, Franța și Australia au găsit noi dovezi pentru o stare cuantică exotică a materiei numită spin supersolid. Descoperirea, realizată într-un material antiferomagnetic cu o structură de rețea atomică triunghiulară, reprezintă o descoperire în fizica fundamentală și ar putea ajuta, de asemenea, dezvoltarea de noi tehnici de răcire care nu necesită heliu lichid, deoarece materialul prezintă și un efect magnetocaloric uriaș.

După cum sugerează și numele lor, supersolidele sunt materiale care curg fără frecare (ca un superfluid) chiar dacă particulele lor componente sunt aranjate într-o rețea cristalină (ca un solid). Ca atare, aceste materiale rupe două simetrii continue: invarianța translațională, datorită ordinii cristaline; și simetria manometrică, datorită curgerii fără frecare a materialului.

Teoreticienii au prezis în anii 1960 că supersolidele ar trebui să existe în solidele cuantice cu așa-numitele vacante bosonice mobile - adică goluri lăsate în urmă pe măsură ce atomii cu valori întregi de spin se deplasează prin rețeaua cristalină. Începând cu anii 1980, cercetările experimentale s-au concentrat pe indicii că supersoliditatea ar putea apărea în heliul-4 superfluid. În 2004, fizicienii de la Universitatea de Stat din Pennsylvania din SUA au raportat dovezi pentru supersoliditatea acestui material. Cu toate acestea, investigații suplimentare de către aceiași cercetători a dezvăluit că s-au înșelat, iar observațiile lor ar putea fi explicat în alte moduri.

Experimente mai recente au arătat că gazele cuantice dipolare alungite într-o direcție pot suferi o tranziție de fază de la un condensat Bose-Einstein obișnuit (BEC) la o stare cu proprietăți supersolide. Atomii din gazele dipolare au momente magnetice mari și interacțiunile dintre ei dau naștere supersolidității în aceste sisteme.

Straturi de dovezi

Cercetătorii conduși de Gang Su de la Universitatea din Academia Chineză de Științe (CAS) la Beijing spun acum că au găsit analogul magnetic cuantic al unui supersolid într-un antiferomagnet recent sintetizat cu formula chimică Na₂BaCo (PO₄)₂. Acest compus, cunoscut sub numele de NBCP, prezintă, de asemenea, un efect magnetocaloric uriaș, ceea ce înseamnă că se încălzește și se răcește dramatic atunci când un câmp magnetic extern este aplicat și îndepărtat.

Su și colegii Wei Li a Institutul de Fizică Teoretică, CAS; Junsen Xiang și Peijie Sun de la Institutul de Fizică, CASŞi Wentao Jin at Universitatea din Beihang și-au efectuat măsurătorile magnetocalorice la temperaturi sub 1 K. Acordul excelent dintre datele lor experimentale și calculele teoretice ale tranzițiilor de fază cuantică supersolidă i-a ajutat să-i convingă că observau un nou supersolid de spin.

O confirmare suplimentară a venit din dovezile microscopice pe care le-au obținut prin efectuarea de experimente de difracție cu neutroni pe mostre de înaltă calitate de NBCP la Institutul Laue-Langevin în Franţa şi în Organizația australiană pentru știință și tehnologie nucleară. „Vârfurile de difracție au relevat ordinea în plan a trei subrețele, ordinea solidă și incomensurabilitate în direcția în afara planului”, spune Su. „Cel din urmă poate fi legat de existența unor moduri Goldstone fără întreruperi (o formă de rupere a simetriei în bosoni) și, prin urmare, susține existența superfluidității spinului în compus.”

O nouă stare cuantică a materiei și un nou mecanism de răcire

Echipa CAS a ales să studieze NBCP deoarece prezintă fluctuații puternice de spin de energie scăzută, indicând o posibilă stare lichidă de spin cuantic. Este, de asemenea, un antiferomagnet, ceea ce înseamnă că, spre deosebire de feromagneții convenționali, care au spini electroni paraleli, spinurile sale electronice tind să se alinieze antiparalel unul cu celălalt. Această anti-aliniere duce la interacțiuni puternice între rotiri.

După ce unul dintre membrii echipei a sugerat că ar putea exista un supersolid de spin în NBCP, Li și Gang i-au întrebat pe colegii lor experimentali Xiang, Jin și Sun dacă este posibil să se caute noi stări de spin cuantic în compus. „Au făcut și au observat noua stare cuantică a materiei, supersolidul de spin”, își amintește Li.

Pe lângă faptul că dezvăluie o nouă stare cuantică a materiei, descoperirea ar putea duce și la noi metode de răcire sub-Kelvin fără heliu. Acestea sunt foarte căutate pentru știința materialelor, tehnologia cuantică și aplicațiile spațiale, printre altele, spune Li Lumea fizicii.

Supersoliditatea intră într-o a doua dimensiune

Li explică că în prezent există două modalități principale de a răci materialele la temperaturi de puțini Kelvin. Prima este utilizarea heliului, care devine lichid la temperaturi sub 4.15 K. A doua este exploatarea efectului magnetocaloric, în care anumite materiale își schimbă temperatura sub influența unui câmp magnetic aplicat. Ambele tehnici au dezavantajele lor: heliul este rar și, prin urmare, costisitor, în timp ce clasa specială de compuși utilizați pentru răcirea magnetocalorică (cunoscute sub numele de săruri paramagnetice hidratate) au o densitate scăzută de entropie magnetică, o stabilitate chimică slabă și o conductivitate termică scăzută. Cu toate acestea, Li susține că efectul magnetocaloric gigant în supersolidul de spin nou descoperit ar putea „depăși în mod eficient aceste dezavantaje” prin exploatarea excitațiilor colective de spin la energii scăzute.

Caut alți supersolidi de spin

Cercetătorii încearcă acum să obțină dovezi dinamice suplimentare pentru supersoliditatea spinului în NBCP. În acest scop, Jin spune că efectuează măsurători de împrăștiere a neutronilor inelastici pentru a investiga modurile Goldstone asociate cu ordinea superfluidului de spin. Ei intenționează, de asemenea, să efectueze experimente de difracție cu neutroni polarizați pentru a-și consolida și mai mult descoperirile.

În cele din urmă, echipa investighează alți compuși triunghiulari de rețea într-un efort de a identifica stări supersolide de spin suplimentare sau alte stări de spin exotice. „Făcând acest lucru, sperăm să înțelegem mai bine fenomenele fizice subiacente care dau naștere acestor faze cuantice interesante ale materiei”, spune Su.

Studiul lor prezent este detaliat în Natură.