In de moderne natuurkunde van de afgelopen eeuw, het begrijpen van de elektronische eigenschappen en interacties tussen elektronen in materie was een grote uitdaging. Elektronen zijn verantwoordelijk voor de chemische verbinding tussen atomen en bijna alle factoren die een stuk materie karakteriseren, zoals kleur, warmte transport, geleidbaarheid en magnetisme. Een elementaire eigenschap van elektronen is de spin, en de combinatie van elektronische spins op atomair niveau kan een magnetisch moment op bepaalde atomen induceren, waaruit het materiaal bestaat. Deze momenten kunnen oplopen tot macroscopische magnetische krachten.

Aangezien magnetisme de voetafdruk is van het interactieve gedrag van elektronen, het bestuderen ervan op atomair niveau informeert ons over het collectieve elektronische gedrag in de atomaire omgeving. Dit kan macroscopisch waargenomen elektronische eigenschappen verklaren, zoals de temperatuurafhankelijkheid van de geleidbaarheid.

Op atomair niveau, magnetische ionen zijn dicht op elkaar gepakt en beïnvloeden elkaar dus wederzijds, resulterend in de goedkeuring van een gemeenschappelijke magnetische orde om hun energiebalans te minimaliseren. Een lichte verstoring leidt tot een spingolf, waarbij een oscillatie van één magnetisch moment rond zijn centrale as oscillerende verstoringen induceert met een lichte faseverschuiving op de atomaire buren. Spingolven worden routinematig waargenomen in geordende magnetische materialen door inelastische neutronenverstrooiing (INS) op spectrometers van het Institut Laue-Langevin (ILL).

Overgang van een klassieke naar een kwantummagnetische wereld

Het magnetische moment wordt gekenmerkt door zijn spingetal. Hoe groter het spingetal, des te passender is het om het atomaire magnetische moment te vergelijken met een klassieke magneet. Het verlagen van de spin betekent het accentueren van de kwantumeigenschappen ervan; het verkennen van de overgang naar de kwantumwereld, die fundamenteel verschilt van de dagelijkse, macroscopische wereld, is een van de meest opwindende uitdagingen in de vastestoffysica.

Het meest aangehaalde voorbeeld is de spin -1/2 momenten geplaatst in de hoek van een equidistante driehoek. Vanwege zijn kwantumkarakter, één spin kan alleen naar boven of naar beneden wijzen ten opzichte van zijn lokale as. Een magnetische uitwisseling tussen de spinmomenten, dat antiferromagnetisch van aard is, dwingt hen om antiparallel aan elkaar uit te lijnen. Omdat een kwantummagneet niet kan bestellen, in plaats van één grondtoestand aan te nemen, meerdere toestanden zijn even waarschijnlijk (6 in het geval van de driehoek), en de spins bevinden zich in een supergepositioneerde staat die in meerdere richtingen tegelijk wijst.

Het combineren van equidistante driehoeken leidt tot een tweedimensionaal netwerk van spins. Zijn grondtoestand, d.w.z. de spin-opstelling met de laagst mogelijke energiekosten, heeft theoretici decennialang uitgedaagd. 1973, adellijke laureaat P.W. Anderson stelde een zogenaamde 'quantum spin vloeibare toestand voor, ' wat conceptueel totaal anders is dan geordende magnetische fasen. Anderson betoogde dat voor een driehoekig systeem, het is energetisch gunstiger voor spins om zich in bindingen te organiseren. In deze valentiebindingen, elektronen zijn kwantummechanisch 'verstrengeld', ' een puur kwantummechanische toestand. Een superpositie van een veelvoud van bindingspatronen bestaat parallel en bindingen fluctueren als gevolg van een kwantummechanisch principe, die nulpuntbewegingen oplegt aan de deeltjes. Deze toestand wordt een Resonant Valence Bond (RVB) toestand genoemd.

Neutronenverstrooiing levert experimenteel bewijs voor de RVB-toestand

Hier bij IBL, twee koude drie-assige spectrometers, IN14 en IN12, decennialang bijgedragen aan de ontdekking en ontrafeling van magnetische correlaties in klassieke en niet-conventionele supergeleiders, multiferroïsche kristallen en een breed scala aan laagdimensionale, gefrustreerde en kwantummagnetische systemen. Aangezien beide instrumenten uit de jaren 80 dateren, ze waren aan een volledige renovatie toe om te kunnen blijven bijdragen aan de wetenschappelijke vooruitgang op deze gebieden. De verplaatsing en renovatie van de nieuwe IN12-spectrometer werd in 2012 voltooid en tegen eind 2014, de IN14-spectrometer werd vervangen door zijn opvolger, ThALES.

ThALES, Drie-assig instrument voor lage-energiespectroscopie, is een koude-neutronenspectrometer met drie assen van de volgende generatie die voortbouwt op de sterke punten van zijn voorganger, IN14, maar maakt gebruik van de modernste neutronenoptiek. Het ThALES-project is een samenwerking tussen ILL en Charles University, Praag, en wordt gefinancierd door het Tsjechische Ministerie van Wetenschap en Onderwijs.

Na het vervangen van de IN14, ThALES werd de nieuwe referentie voor koude eenkristalneutronenspectroscopie bij een stationaire neutronenbron zoals de ILL-reactor. ThALES is volledig geoptimaliseerd om de fysica van sterk gecorreleerde elektronensystemen en wetenschappelijke problemen op het gebied van kwantummagnetisme aan te pakken. Bovendien, de flexibiliteit van de spectrometer is verbeterd door de implementatie van verschillende optische elementen.

De belangrijkste doelstellingen van ThALES zijn:

• om de algehele gegevensverzamelingssnelheid te verhogen door de neutronenoptiek van de primaire spectrometer opnieuw op te bouwen;
• om een ​​gepolariseerde neutronenoptie te bieden die efficiënt en gebruiksvriendelijk is;
• om het bereik van invallende neutronen uit te breiden naar hogere energieën, en zo de kloof te overbruggen met thermische instrumenten;
• om hoogveldmagneten te kunnen gebruiken zonder beperkingen van het kinematische bereik, d.w.z. onder alle mogelijke experimentele omstandigheden.

ThALES werd gebruikt om INS-metingen uit te voeren in een recent onderzoek uitgevoerd door een samenwerking van wetenschappers, waaronder ILL's Martin Boehm, huidige coördinator van het door de EU gefinancierde neutronennetwerk SINE2020. De studie gepubliceerd in Nature, getiteld 'Bewijs voor een spinon Fermi-oppervlak in een driehoekig rooster quantum-spin-liquid kandidaat, ' betoogde dat de antiferromagneet YbMgGaO4 met driehoekig rooster de lang gezochte kwantumspinvloeistof RVB-grondtoestand heeft. Deze studie was de eerste die neutronenverstrooiing gebruikte als een middel om experimenteel bewijs te leveren voor de RVB-toestand.

De experimentele inspanning om de RVB-grondtoestand te ontdekken is aanzienlijk toegenomen sinds P.W. Anderson suggereerde dat dit het fenomeen van supergeleiding zou kunnen verklaren in een klasse van materialen die bijzonder hoge overgangstemperaturen vertonen tussen een normaal geleidende en supergeleidende toestand. Echter, het leveren van experimenteel bewijs voor het bestaan ​​van de RVB-staat is een grote uitdaging, want hoewel een magnetisch geordend systeem een ​​duidelijke experimentele respons heeft, de RVB-toestand wordt gekenmerkt door het ontbreken van een meetbare hoeveelheid.

Door het ontbreken van een meetbare hoeveelheid, de experimentele benadering van dit onderzoek, met behulp van ThALES, geselecteerd indirect experimenteel bewijs door opzettelijk de grondtoestand te exciteren met neutronen en de dynamische respons te meten. Volgens de theoretische verwachtingen de aangeslagen spinvloeistof gedraagt ​​zich 'exotisch, ' wat betekent dat de aangeslagen toestand wordt verklaard door spinons met zeer ongebruikelijke eigenschappen. Spinons kunnen de verdeling van valentiebindingen herschikken en met een minimale hoeveelheid energie door het driehoekige vlak reizen.

In een verstrooiingsproces tussen het neutron en de spinvloeistof, de wet van behoud van het totale momentum legt de creatie van twee spin-1/2 spinons in de vloeistof op. Dit paar spinons reist in tegengestelde richtingen met een totale hoeveelheid energie die gelijk is aan het verlies van neutronenenergie in het verstrooiingsproces. Met behulp van de ThALES-spectrometer, het is mogelijk om de richting en energieën van de spinons te volgen door de richting en energie te meten van het neutron dat het spinonpaar heeft gecreëerd. Op deze manier, deze studie volgde een volledig dynamisch landschap van de spin-kwantumvloeistof in het driehoekige vlak, en vergeleek de metingen met theoretische voorspellingen, wat sterk bewijs gaf voor het bestaan ​​van de spin-vloeistoffase in YbMgGaO4.

Dit onderzoek is belangrijk omdat een kwantumspin vloeibare toestand van materie potentieel relevant is voor toepassingen van kwantuminformatie. Bovendien, experimentele identificatie van een kwantumspin vloeibare toestand draagt ​​in hoge mate bij aan ons begrip van kwantummaterie.