Спінове надтверде тіло з’являється в квантовому антиферомагнетику – Світ фізики

Перевидано Платоном

читають: 0

Малюнок, що ілюструє процес адіабатичного охолодження спінового надтвердого тіла порівняно з парамагнітним охолодженням — На малюнку показано адіабатичний процес охолодження спінового надтвердого тіла порівняно з парамагнітним охолодженням, підкреслюючи унікальні особливості охолодження спінового надтвердого тіла. Структура трикутної решітки та експериментальні пристрої (зі сполуками NBCP) для адіабатичних магнітокалоричних вимірювань також включені до вставок. (З дозволу: W Li)

Дослідники з Китаю, Франції та Австралії знайшли нові докази існування екзотичного квантового стану матерії під назвою спінове надтверде тіло. Відкриття, зроблене в антиферомагнітному матеріалі з трикутною структурою атомної решітки, являє собою прорив у фундаментальній фізиці, а також може допомогти в розробці нових методів охолодження, які не потребують рідкого гелію, оскільки матеріал також демонструє гігантський магнітокалорійний ефект.

Як випливає з назви, надтверді речовини — це матеріали, які течуть без тертя (як надплинна рідина), навіть якщо частинки, що входять до їх складу, розташовані в кристалічній решітці (як тверде тіло). Як такі, ці матеріали порушують дві безперервні симетрії: трансляційну інваріантність через кристалічний порядок; і калібрувальної симетрії, завдяки потоку матеріалу без тертя.

У 1960-х роках теоретики передбачили, що надтверді тіла повинні існувати в квантових твердих тілах з так званими мобільними бозонними вакансіями, тобто проміжками, що залишаються позаду, коли атоми з цілими значеннями спіну рухаються крізь кристалічну решітку. Починаючи з 1980-х років, експериментальні дослідження зосереджувалися на натяках на те, що надтекучий гелій-4 може мати місце. У 2004 році фізики з Університету штату Пенсільванія в США повідомили про докази надтвердості цього матеріалу. Однак подальше дослідження тими ж дослідниками виявили, що вони помилилися, і їхні спостереження можуть бути пояснюється іншими способами.

Останні експерименти показали, що диполярні квантові гази, витягнуті в одному напрямку, можуть зазнавати фазового переходу від звичайного конденсату Бозе-Ейнштейна (БЕК) до стану з надтвердими властивостями. Атоми в диполярних газах мають великі магнітні моменти, і саме взаємодія між ними призводить до надтвердості в цих системах.

Шари доказів

Дослідники під керівництвом о Ган Су в Університет Китайської академії наук (CAS) у Пекіні зараз кажуть, що знайшли квантовий магнітний аналог надтвердої речовини в нещодавно синтезованому антиферомагнетику з хімічною формулою Na₂BaCo(PO₄)₂. Ця сполука, відома як NBCP, також демонструє гігантський магнітокалорійний ефект, що означає, що вона нагрівається та різко охолоджується, коли зовнішнє магнітне поле прикладається та знімається.

Су та колеги Вей Лі в Інститут теоретичної фізики CAN; Джунсен Сян та Пейджі Сонце від Інститут фізики CANІ Вентао Цзінь at Університет Бейхан провели свої магнітокалорічні вимірювання при температурах нижче 1 К. Чудова узгодженість між їхніми експериментальними даними та теоретичними розрахунками квантових фазових переходів надтвердої речовини допомогла переконати їх, що вони спостерігають нове спінове надтверде тіло.

Подальше підтвердження отримали мікроскопічні дані, які вони отримали, проводячи експерименти з дифракцією нейтронів на високоякісних зразках NBCP на Інститут Лауе-Ланжевена у Франції та Австралійська організація ядерної науки і технологій. «Дифракційні піки виявили трипідгратковий порядок у площині, твердий порядок і неспівмірність у напрямку поза площиною», — каже Су. «Останнє може бути пов’язане з існуванням безщілинних мод Голдстоуна (форма порушення симетрії в бозонах) і, отже, підтверджує існування спінової надтекучості в з’єднанні».

Новий квантовий стан матерії та новий механізм охолодження

Команда CAS вирішила вивчити NBCP, оскільки він демонструє сильні низькоенергетичні спінові флуктуації, що вказує на можливий квантовий спіновий рідкий стан. Він також є антиферомагнетиком, тобто на відміну від звичайних феромагнетиків, які мають паралельні електронні спини, його електронні спіни мають тенденцію вирівнюватися антипаралельно один одному. Це антивирівнювання призводить до сильної взаємодії між спінами.

Після того, як один із членів команди припустив, що спінова надтверда речовина може існувати в NBCP, Лі та Ган запитали своїх колег-експериментаторів Сяна, Цзіня та Суня, чи можна шукати нові квантові спінові стани в сполукі. «Вони це зробили й спостерігали новий квантовий стан матерії, спінову надтверду речовину», — згадує Лі.

Окрім виявлення нового квантового стану матерії, це відкриття також може призвести до нових методів охолодження суб-Кельвіна без використання гелію. За словами Лі, вони дуже затребувані в матеріалознавстві, квантових технологіях і космічних додатках Світ фізики.

Надтвердість переходить у другий вимір

Лі пояснює, що в даний час існує два основних способи охолодження матеріалів до температури в кілька Кельвінів. Перший полягає у використанні гелію, який стає рідиною при температурах нижче 4.15 К. Другий полягає у використанні магнітокалоричного ефекту, коли деякі матеріали змінюють температуру під впливом прикладеного магнітного поля. Обидва ці методи мають свої недоліки: гелій є дефіцитним і, отже, дорогим, тоді як спеціальний клас сполук, що використовуються для магнітокалорічного охолодження (відомі як гідратовані парамагнітні солі), мають низьку щільність магнітної ентропії, погану хімічну стабільність і низьку теплопровідність. Однак Лі стверджує, що гігантський магнітокалоричний ефект у нещодавно відкритому спіновому надтвердому тілі може «ефективно подолати ці недоліки», використовуючи колективні спінові збудження при низьких енергіях.

Шукаємо інші спінові надтверді тіла

Зараз дослідники намагаються отримати додаткові динамічні докази спінової надтвердості в NBCP. З цією метою Джин каже, що вони виконують вимірювання непружного розсіювання нейтронів, щоб дослідити моди Голдстоуна, пов’язані зі спіновим надплинним порядком. Вони також планують провести експерименти з дифракції поляризованих нейтронів, щоб ще більше зміцнити свої висновки.

Нарешті, команда досліджує інші сполуки трикутної решітки, намагаючись ідентифікувати додаткові спінові супертверді стани або інші екзотичні спінові стани. «Таким чином ми сподіваємося краще зрозуміти основні фізичні явища, які породжують ці інтригуючі квантові фази матерії», — каже Су.

Їх поточне дослідження детально описано в природа.