Спиновое сверхтело появляется в квантовом антиферромагнетике – Мир физики

Переиздано Платоном

Читают: 0

Рисунок, иллюстрирующий процесс адиабатического охлаждения спинового сверхтела по сравнению с парамагнитным охлаждением. — На рисунке показан процесс адиабатического охлаждения спинового сверхтела по сравнению с парамагнитным охлаждением, подчеркивая уникальные особенности охлаждения спинового сверхтела. На вставках также представлена треугольная структура решетки и экспериментальные устройства (с соединениями NBCP) для адиабатических магнитокалорических измерений. (Любезно предоставлено: В. Ли)

Исследователи из Китая, Франции и Австралии нашли новые доказательства существования экзотического квантового состояния материи, называемого спиновым сверхтвёрдым телом. Открытие, сделанное в антиферромагнитном материале с треугольной структурой атомной решетки, представляет собой прорыв в фундаментальной физике и может также помочь в разработке новых методов охлаждения, не требующих жидкого гелия, поскольку этот материал также демонстрирует гигантский магнитокалорический эффект.

Как следует из названия, супертвердые тела — это материалы, которые текут без трения (как сверхтекучие вещества), даже несмотря на то, что частицы их компонентов расположены в кристаллической решетке (как твердое тело). По существу, эти материалы нарушают две непрерывные симметрии: трансляционную инвариантность из-за кристаллического порядка; и калибровочная симметрия из-за течения материала без трения.

Теоретики предсказали в 1960-х годах, что супертвердые тела должны существовать в квантовых твердых телах с так называемыми мобильными бозонными вакансиями – то есть зазорами, остающимися после движения атомов с целыми значениями спина через кристаллическую решетку. Начиная с 1980-х годов экспериментальные исследования были сосредоточены на намеках на то, что сверхтекучесть может возникнуть в сверхтекучем гелии-4. В 2004 году физики из Университета штата Пенсильвания в США сообщили о доказательствах сверхтвёрдости этого материала. Однако дальнейшее исследование тех же исследователей выяснилось, что они ошибались, и их наблюдения могут быть объясняется другими способами.

Более поздние эксперименты показали, что диполярные квантовые газы, вытянутые в одном направлении, могут испытывать фазовый переход из регулярного бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) в состояние со свойствами сверхтвердого тела. Атомы в диполярных газах обладают большими магнитными моментами, и именно взаимодействия между ними приводят к возникновению сверхтвердости в этих системах.

Слои доказательств

Исследователи во главе с Ганг Су на Университет Китайской академии наук (CAS) в Пекине теперь говорят, что нашли квантовый магнитный аналог сверхтвердого тела в недавно синтезированном антиферромагнетике с химической формулой Na₂BaCo(PO₄)₂. Это соединение, известное как NBCP, также демонстрирует гигантский магнитокалорический эффект, а это означает, что оно нагревается и резко охлаждается, когда внешнее магнитное поле прикладывается и удаляется.

Су и коллеги Вэй Ли Институт теоретической физики КАН; Джунсен Сян и Пейцзе Сан из Институт физики КАНи Вэньтао Цзинь at Университет Бейхан провели свои магнитокалорические измерения при температурах ниже 1 К. Прекрасное согласие между их экспериментальными данными и теоретическими расчетами квантовых фазовых переходов сверхтвердого тела помогло убедить их в том, что они наблюдают новое спиновое сверхтвердое тело.

Дальнейшее подтверждение пришло из микроскопических данных, полученных ими в ходе нейтронографических экспериментов на высококачественных образцах NBCP в Институт Лауэ-Ланжевена во Франции и Австралийская организация ядерной науки и технологий. «Дифракционные пики выявили трехподрешеточный порядок в плоскости, сплошной порядок и несоизмеримость во внеплоскостном направлении», — говорит Су. «Последнее может быть связано с существованием бесщелевых голдстоуновских мод (форма нарушения симметрии в бозонах) и, следовательно, подтверждает существование спиновой сверхтекучести в соединении».

Новое квантовое состояние материи и новый механизм охлаждения

Команда CAS решила изучить NBCP, потому что он демонстрирует сильные низкоэнергетические спиновые флуктуации, что указывает на возможное квантово-спиновое жидкое состояние. Это также антиферромагнетик, а это означает, что в отличие от обычных ферромагнетиков, которые имеют параллельные электронные спины, его электронные спины имеют тенденцию выравниваться антипараллельно друг другу. Это антивыравнивание приводит к сильным взаимодействиям между спинами.

После того, как один из членов команды предположил, что в NBCP может существовать спиновое сверхтелое, Ли и Ган спросили своих коллег-экспериментаторов Сяна, Цзинь и Суня, можно ли искать в этом соединении новые состояния квантового спина. «Они сделали это и наблюдали новое квантовое состояние материи — спиновое сверхтвёрдое тело», — вспоминает Ли.

Это открытие не только откроет новое квантовое состояние материи, но и может привести к созданию новых методов охлаждения без гелия при температуре ниже Кельвина. По словам Ли, они пользуются большим спросом в области материаловедения, квантовых технологий и космических приложений. Мир физики.

Сверхтвердость переходит во второе измерение

Ли объясняет, что в настоящее время существует два основных способа охлаждения материалов до температур в несколько Кельвинов. Первый — использовать гелий, который становится жидким при температуре ниже 4.15 К. Второй — использовать магнитокалорический эффект, при котором некоторые материалы меняют температуру под воздействием приложенного магнитного поля. Оба этих метода имеют свои недостатки: гелий малочислен и поэтому дорог, а специальный класс соединений, используемый для магнитокалорического охлаждения (известный как гидратированные парамагнитные соли), имеет низкую плотность магнитной энтропии, плохую химическую стабильность и низкую теплопроводность. Однако Ли утверждает, что гигантский магнитокалорический эффект в недавно открытом спиновом сверхтвердом теле может «эффективно преодолеть эти недостатки», используя коллективные спиновые возбуждения при низких энергиях.

Ищем другие спиновые супертела

Сейчас исследователи пытаются получить дополнительные динамические доказательства спиновой сверхтвердости в NBCP. С этой целью, по словам Джина, они проводят измерения неупругого рассеяния нейтронов, чтобы исследовать моды Голдстоуна, связанные со спиновым сверхтекучим порядком. Они также планируют провести эксперименты по дифракции поляризованных нейтронов, чтобы еще больше подтвердить свои выводы.

Наконец, команда исследует другие соединения с треугольной решеткой, пытаясь идентифицировать дополнительные спиновые сверхтвердые состояния или другие экзотические спиновые состояния. «Тем самым мы надеемся лучше понять основные физические явления, которые порождают эти интригующие квантовые фазы материи», — говорит Су.

Их настоящее исследование подробно описано в природа.