Paige Kelley, een postdoctoraal onderzoeker met een gezamenlijke aanstelling aan de Universiteit van Tennessee en het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE), gebruikt neutronen om specifieke kristaleigenschappen te bestuderen die zouden kunnen leiden tot de realisatie van een kwantumspinvloeistof, een nieuwe staat van materie die de basis kan vormen van toekomstige kwantumcomputertechnologieën.

"In een kwantumspinvloeistof, spins fluctueren voortdurend als gevolg van kwantumeffecten en komen nooit in een statisch geordende opstelling, in tegenstelling tot conventionele magneten, " Zei Kelley. "Deze staten kunnen exotische quasideeltjes bevatten die kunnen worden gedetecteerd door inelastische neutronenverstrooiing."

Onlangs, zij en haar team zagen bewijs van die quasideeltjes in alfa-rutheniumtrichloride, wanneer ze het monster verdunnen met een kleine hoeveelheid iridium. het iridium, Kelly zegt, onderdrukt de intrinsieke magnetische orde op lange afstand in zuiver rutheniumtrichloride, waardoor het mogelijk wordt om de spinvloeistoftoestand te bestuderen.

Het team voerde neutronendiffractiemetingen bij lage temperatuur uit met behulp van het Four-Circle Diffractometer-instrument, bundellijn HB-3A, en de drieassige spectrometer met vaste incidenten en energie (FIE-TAX), HB-1A, bij ORNL's Hoge Flux Isotoop Reactor (HFIR), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Ze gebruikten beide instrumenten om de kristalstructuur te bestuderen, magnetische grondtoestand, en magnetische momentgroottes in eenkristallen van iridium-gesubstitueerd rutheniumtrichloride.

"Ik bereidde enkele kristallen waarin een kleine hoeveelheid ruthenium werd vervangen door niet-magnetische iridium-ionen en gebruikte de Four Circle- en FIE-TAX-instrumenten om te bepalen hoe dit de magnetische orde in het systeem beïnvloedde, ' zei Kelley.

Wanneer een kleine hoeveelheid iridium wordt opgenomen, ze legde uit, ze ontdekten dat het begin van de magnetisch geordende toestand plaatsvindt bij een lagere temperatuur dan in puur rutheniumtrichloride, en de toestand bij lage temperatuur toont een kleinere geordende momentgrootte. Beide eigenschappen zijn indicatoren voor de sterkte van de conventionele magnetische interacties in het systeem.

"Door niet-magnetisch iridium toe te voegen, verzwakken we de langeafstandsorde die concurreert met de kwantumspin vloeibare grondtoestand in rutheniumchloride, " zei ze. "De onderdrukking van de magnetische orde is absoluut een stap in de goede richting en opent de mogelijkheid om in dit materiaal een kwantumspinvloeistof te realiseren met voldoende iridiumconcentratie."

Neutronenverstrooiing is optimaal gebleken voor het onderzoek van Kelley en haar team vanwege de manier waarop neutronen zich gedragen in magnetische materialen.

"Omdat neutronen zelf een spin hebben, neutronenverstrooiing is veel gevoeliger voor magnetische momenten als gevolg van ongepaarde elektronen in een monster dan andere technieken zoals röntgenverstrooiing, ' zei Kelley.

Alvorens naar ORNL te komen, Kelley studeerde nanotechnologie als graduate research fellow aan de University of South Florida. Ze blijft nieuwe bijdragen leveren in de fysica van gecondenseerde materie en in het groeiende veld van kwantummaterialen.

"De quasideeltjesexcitaties in een kwantumspinvloeistof kunnen worden gemanipuleerd om kwantumbits of qubits te construeren, de basiseenheid van kwantumberekening, "Zei Kelley. "Dit onderzoek zou uiteindelijk tot grote stappen op dat gebied kunnen leiden."