Нанотехнологии сегодня - Пресс-релиз: Трехсторонний подход позволяет выявить качества квантовых спиновых жидкостей

Переиздано Платоном

Читают: 0

Главная > Нажмите > Трехсторонний подход позволяет выявить качества квантово-спиновых жидкостей

Иллюстрация решетки, исследованной Филом Андерсоном в начале 70-х. Показанное зелеными эллипсами, пары квантовых частиц колеблются среди множества комбинаций, образуя состояние спиновой жидкости.

КРЕДИТ
Аллен Шейе/Национальная лаборатория Лос-Аламоса, Министерство энергетики США

Абстрактные:
В 1973 году физик Фил Андерсон выдвинул гипотезу о том, что состояние квантовой спиновой жидкости, или QSL, существует в некоторых треугольных решетках, но у него не было инструментов, чтобы копнуть глубже. Пятьдесят лет спустя группа, возглавляемая исследователями из Центра квантовых наук со штаб-квартирой в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики, подтвердила наличие QSL-поведения в новом материале с этой структурой, KYbSe2.

Трехсторонний подход позволяет выявить качества квантово-спиновых жидкостей

Ок-Ридж, Теннесси | Опубликовано 17 ноября 2023 г.

QSL — необычное состояние материи, контролируемое взаимодействием между запутанными или неразрывно связанными магнитными атомами, называемыми спинами, — превосходно стабилизирует квантово-механическую активность в KYbSe2 и других делафосситах. Эти материалы ценятся за свои слоистые треугольные решетки и многообещающие свойства, которые могут способствовать созданию высококачественных сверхпроводников и компонентов квантовых вычислений.

В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, представлены исследователи из ORNL; Национальная лаборатория Лоуренса Беркли; Лос-Аламосская национальная лаборатория; Национальная ускорительная лаборатория SLAC; Университет Теннесси, Ноксвилл; Университет Миссури; Университет Миннесоты; Стэндфордский Университет; и Физический институт Росарио.

«Исследователи изучали треугольную решетку различных материалов в поисках поведения QSL», — сказал член QSC и ведущий автор Аллен Шейе, научный сотрудник Лос-Аламоса. «Одним из преимуществ этого метода является то, что мы можем легко заменять атомы, чтобы изменить свойства материала, не изменяя его структуру, и это делает его довольно идеальным с научной точки зрения».

Используя сочетание теоретических, экспериментальных и вычислительных методов, команда обнаружила несколько отличительных черт QSL: квантовую запутанность, экзотические квазичастицы и правильный баланс обменных взаимодействий, которые контролируют, как спин влияет на своих соседей. Хотя усилиям по выявлению этих особенностей исторически препятствовали ограничения физических экспериментов, современные инструменты рассеяния нейтронов могут производить точные измерения сложных материалов на атомном уровне.

Изучая спиновую динамику KYbSe2 с помощью спектрометра холодных нейтронов с прерыванием нейтронов в источнике расщепленных нейтронов ORNL — пользовательском центре Министерства науки США — и сравнивая результаты с проверенными теоретическими моделями, исследователи обнаружили доказательства того, что материал был близок к квантовой критической точке, в которой QSL-характеристики процветают. Затем они проанализировали его одноионное магнитное состояние с помощью широкоугольного чоппер-спектрометра SNS.

Свидетелями, о которых идет речь, являются одно-, двух-запутанная и квантовая информация Фишера, которая сыграла ключевую роль в предыдущих исследованиях QSC, направленных на изучение одномерной спиновой цепочки или одной линии спинов внутри материала. KYbSe1 — это 2D-система, и это качество усложнило эти начинания.

«Мы применяем подход совместного проектирования, который встроен в QSC», — сказал Алан Теннант, профессор физики, материаловедения и инженерии в UTK, который возглавляет проект квантовых магнитов для QSC. «Теоретики центра вычисляют вещи, которые они не могли рассчитать раньше, и это совпадение теории и эксперимента позволило совершить прорыв в исследованиях QSL».

Это исследование соответствует приоритетам QSC, которые включают в себя соединение фундаментальных исследований с квантовой электроникой, квантовыми магнитами и другими текущими и будущими квантовыми устройствами.

«Лучшее понимание QSL действительно важно для развития технологий следующего поколения», — сказал Теннант. «Эта область все еще находится на стадии фундаментальных исследований, но теперь мы можем определить, какие материалы мы можем модифицировать, чтобы потенциально создавать небольшие устройства с нуля».

Хотя KYbSe2 не является настоящей QSL, тот факт, что около 85% магнетизма колеблется при низкой температуре, означает, что у нее есть потенциал стать таковой. Исследователи ожидают, что небольшие изменения в его структуре или воздействие внешнего давления потенциально могут помочь ему достичь 100%.

Экспериментаторы QSC и специалисты по вычислительной технике планируют параллельные исследования и моделирование, ориентированные на материалы делафосситов, но результаты исследователей создали беспрецедентный протокол, который также можно применять для изучения других систем. Упрощая оценку кандидатов на QSL на основе фактических данных, они стремятся ускорить поиск подлинных QSL.

«Важным в этом материале является то, что мы нашли способ, так сказать, сориентироваться на карте и показать, что мы сделали правильно», — сказал Шейе. «Мы почти уверены, что где-то в этом химическом пространстве есть полная QSL, и теперь мы знаем, как ее найти».

Эта работа получила поддержку Министерства энергетики, QSC, Национального совета по научным и техническим исследованиям и Фонда Саймонса.

####

О Министерстве энергетики / Национальной лаборатории Ок-Риджа
QSC, Национальный исследовательский центр квантовой информатики Министерства энергетики США, возглавляемый ORNL, проводит передовые исследования в национальных лабораториях, университетах и отраслевых партнерах, чтобы преодолеть ключевые препятствия на пути к устойчивости квантового состояния, управляемости и, в конечном итоге, масштабируемости квантовых технологий. Исследователи QSC разрабатывают материалы, которые позволяют выполнять топологические квантовые вычисления; внедрение новых квантовых датчиков для характеристики топологических состояний и обнаружения темной материи; и разработка квантовых алгоритмов и моделирования для лучшего понимания квантовых материалов, химии и квантовых теорий поля. Эти инновации позволяют QSC ускорить обработку информации, исследовать ранее неизмеримое и лучше прогнозировать квантовую производительность различных технологий. Для получения дополнительной информации посетите https://qscience.org .

UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики США, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Научный отдел Министерства энергетики США работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science . — Элизабет Розенталь

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, нажмите здесь

Контактная информация:
Элизабет Розенталь
Министерство энергетики / Национальная лаборатория Ок-Риджа
Офис: 865-241-6579

Авторские права © Министерство энергетики/Окриджская национальная лаборатория

Если у вас есть комментарий, пожалуйста Контакты нас.

Издатели новостных выпусков, а не 7th Wave, Inc. или Nanotechnology Now, несут единоличную ответственность за точность содержания.

Закладка: