Spinska supertrdna snov se pojavi v kvantnem antiferomagnetu – Physics World

Raziskovalci na Kitajskem, v Franciji in Avstraliji so našli nove dokaze za eksotično kvantno stanje snovi, imenovano spin supersolid. Odkritje, narejeno v antiferomagnetnem materialu s trikotno atomsko mrežno strukturo, predstavlja preboj v temeljni fiziki in lahko pomaga tudi pri razvoju novih tehnik hlajenja, ki ne zahtevajo tekočega helija, saj material kaže tudi velikanski magnetokalorični učinek.

Kot pove njihovo ime, so supertrdne snovi materiali, ki tečejo brez trenja (kot superfluid), čeprav so njihovi sestavni delci razporejeni v kristalni mreži (kot trdna snov). Kot taki ti materiali prekinejo dve zvezni simetriji: translacijsko invariantnost zaradi kristalnega reda; in simetrijo merila zaradi toka materiala brez trenja.

Teoretiki so v šestdesetih letih 1960. stoletja napovedali, da bi morale supertrdne snovi obstajati v kvantnih trdnih snoveh s tako imenovanimi mobilnimi bozonskimi prazninami – to je vrzeli, ki ostanejo za seboj, ko se atomi s celimi vrednostmi vrtenja premikajo skozi kristalno mrežo. Z začetkom v osemdesetih letih prejšnjega stoletja so se eksperimentalne raziskave osredotočile na namige, da bi lahko prišlo do supertrdnosti v superfluidnem heliju-1980. Leta 4 so fiziki z univerze Pennsylvania State University v ZDA poročali o dokazih o supertrdnosti tega materiala. Vendar nadaljnja preiskava istih raziskovalcev razkrili, da so se zmotili, njihova opažanja pa bi lahko bila pojasnjeno na druge načine.

Novejši poskusi so pokazali, da so lahko dipolarni kvantni plini, podaljšani v eno smer, podvrženi faznemu prehodu iz običajnega Bose-Einsteinovega kondenzata (BEC) v stanje s supertrdnimi lastnostmi. Atomi v dipolarnih plinih imajo velike magnetne momente in interakcije med njimi povzročajo supertrdnost v teh sistemih.

Plasti dokazov

Raziskovalci pod vodstvom Gang Su pri Univerza Kitajske akademije znanosti (CAS) v Pekingu pravijo, da so našli kvantni magnetni analog supertrdne snovi v nedavno sintetiziranem antiferomagnetu s kemijsko formulo Na₂BaCo (PO₄)₂. Ta spojina, znana kot NBCP, kaže tudi velikanski magnetokalorični učinek, kar pomeni, da se močno segreje in ohladi, ko se uporabi in odstrani zunanje magnetno polje.

Su in sodelavci Wei Li od Inštitut za teoretično fiziko, CAS; Junsen Xiang in Peijie Sun Iz Inštitut za fiziko, CASIn Wentao Jin at Univerza Beihang izvedli svoje magnetokalorične meritve pri temperaturah pod 1 K. Odlično ujemanje med njihovimi eksperimentalnimi podatki in teoretičnimi izračuni kvantnih faznih prehodov supertrdne snovi jih je pomagalo prepričati, da opazujejo novo spinsko supertrdno snov.

Dodatna potrditev je prišla iz mikroskopskih dokazov, ki so jih pridobili z izvajanjem poskusov nevtronske difrakcije na visokokakovostnih vzorcih NBCP na Inštitut Laue-Langevin v Franciji in Avstralska organizacija za jedrsko znanost in tehnologijo. "Uklonski vrhovi so razkrili ravninski tripodmrežni red, trdni red in nesorazmernost v smeri izven ravnine," pravi Su. "Slednje je mogoče povezati z obstojem Goldstoneovih načinov brez vrzeli (oblika lomljenja simetrije v bozonih) in zato podpira obstoj spinske superfluidnosti v spojini."

Novo kvantno agregatno stanje in nov mehanizem ohlajanja

Ekipa CAS se je odločila za študij NBCP, ker kaže močna nizkoenergijska vrtilna nihanja, kar kaže na možno kvantno spinsko tekoče stanje. Je tudi antiferomagnet, kar pomeni, da se za razliko od običajnih feromagnetov, ki imajo vzporedne elektronske vrtljaje, njegovi elektronski vrtljaji nagibajo k temu, da so med seboj antiparalelni. Ta ne-poravnava vodi do močnih interakcij med vrtljaji.

Potem ko je eden od članov ekipe predlagal, da bi v NBCP lahko obstajala spinska supertrdna snov, sta Li in Gang vprašala svoje eksperimentalne kolege Xianga, Jina in Suna, če je mogoče iskati nova kvantna spinska stanja v spojini. "Opravili so in opazovali novo kvantno stanje materije, spin supersolid," se spominja Li.

Poleg razkritja novega kvantnega stanja snovi bi lahko odkritje vodilo tudi do novih subkelvinovih metod hlajenja brez helija. Ti so med drugim zelo iskani v znanosti o materialih, kvantni tehnologiji in vesoljskih aplikacijah, pravi Li Svet fizike.

Li pojasnjuje, da trenutno obstajata dva glavna načina za hlajenje materialov na temperature nekaj Kelvinov. Prvi je uporaba helija, ki postane tekočina pri temperaturah pod 4.15 K. Drugi je izkoriščanje magnetokaloričnega učinka, pri katerem določeni materiali spremenijo temperaturo pod vplivom uporabljenega magnetnega polja. Obe tehniki imata svoje pomanjkljivosti: helij je redek in zato drag, medtem ko ima poseben razred spojin, ki se uporabljajo za magnetokalorično hlajenje (znane kot hidratirane paramagnetne soli), nizko gostoto magnetne entropije, slabo kemijsko stabilnost in nizko toplotno prevodnost. Vendar Li trdi, da bi velikanski magnetokalorični učinek v na novo odkriti spinski supersolid lahko "učinkovito premagal te pomanjkljivosti" z izkoriščanjem kolektivnih vrtilnih vzbujanja pri nizkih energijah.

Iščem druge vrtilne supertrdne snovi

Raziskovalci zdaj poskušajo pridobiti dodatne dinamične dokaze za spin supersolidity v NBCP. V ta namen Jin pravi, da izvajajo meritve neelastičnega sipanja nevtronov, da bi raziskali Goldstoneove načine, povezane s spin superfluidnim redom. Prav tako nameravajo izvesti eksperimente z difrakcijo polariziranih nevtronov, da bi še okrepili svoje ugotovitve.

Nazadnje ekipa preiskuje druge trikotne mrežne spojine, da bi identificirala dodatna spinska supertrdna stanja ali druga eksotična spinska stanja. "S tem upamo, da bomo bolje razumeli temeljne fizikalne pojave, ki povzročajo te zanimive kvantne faze materije," pravi Su.

Njihova trenutna študija je podrobno opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/