In werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van RIKEN in Japan hebben interessante nieuwe magnetische eigenschappen ontdekt van een soort materiaal dat bekend staat als 'quantum spin-ijs'. Deze materialen vertonen interessante eigenschappen omdat ze zich gedragen als "gefrustreerde magneten" - systemen die zich vanwege hun speciale geometrie in verschillende magnetische toestanden kunnen nestelen. Een belangrijke eigenschap van deze materialen is dat ze virtuele monopolen hebben - deeltjes die zich in het noorden of in het zuiden bevinden, maar niet zoals typische magneten, die steevast zowel een noord- als een zuidpool hebben die aan elkaar zijn opgesloten.

Met behulp van numerieke simulaties, de groep liet zien hoe een magnetisch veld kan worden gebruikt om de eigenschappen van noord- en zuidpolen te regelen, die zijn gefractioneerd van magnetische momenten van elektronen, op een gefrustreerde magneet die een kwantumspinijs wordt genoemd.

De groep stelde in 2010 voor het eerst een model voor kwantumspin-ijs - spin-ijs op basis van kwantumeigenschappen - voor om de laagenergetische magnetische eigenschappen van magnetische zeldzame-aarde-pyrochloren te beschrijven - een type mineraal dat interessante fysieke eigenschappen vertoont. In 2012, experimenten toonden aan dat dit model valide was. Dit systeem omvat een kwantumspin-vloeistoftoestand waarin spins - de eigenschap van elektronen die leiden tot magnetische eigenschappen - niet kunnen ordenen en bevriezen door nulpuntsbeweging, een soort beweging toegestaan ​​zelfs bij nul temperatuur onder de kwantummechanica, van hun monopolen. Aangezien monopoolladingen onderworpen zijn aan een behoudswet, de beweging van de noord- en zuidpolen heeft rechtstreeks invloed op de richting van magnetische momenten in het systeem. In aanvulling, elektrische ladingen worden niet gedragen door deze monopolen, en dus gaat de monopoolstroom niet gepaard met een elektrische stroom die zou leiden tot een groot energieverlies door Joule-warmte. "Daarom, " zegt Shigeki Onoda, de leider van de groep, "monopoolstroom biedt een potentieel efficiënte manier om magneten zonder verlies te besturen."

Door dit werk, de onderzoekers onthulden dat er opeenvolgende overgangen zijn van de kwantumspin-vloeistoftoestand als een magnetisch veld wordt aangelegd in een speciale richting waarlangs kagome-roosterlagen en driehoekige roosterlagen op elkaar worden gestapeld. Eerst, de magnetisatie van het systeem stijgt geleidelijk tot een waarde van tweederde van de maximale waarde in de kwantumspin vloeibare toestand, en blijft dan op dat niveau in een eindig bereik van de veldsterkte, wat het 2/3 magnetisatieplateau wordt genoemd. In deze plateautoestand, de nulpuntsbeweging van monopolen is ruimtelijk beperkt en gelokaliseerd, en dus kan deze toestand geen coherente monopoolstroom bevatten. Echter, naarmate de sterkte van het magnetische veld toeneemt, de magnetisatie van het materiaal begint uiteindelijk weer te stijgen en gelijktijdig, de monopoolladingen worden onevenredig en vertonen een superfluïditeit. Dit is een magnetische analoog van een supervaste stof in helium 4, waarbij de atomen zowel een niet-uniforme ruimtelijke verdeling als een superfluïditeit vertonen, die wrijvingsloze en dus dissipatieloze stroom ondersteunt, bij extreem lage temperatuur. De monopool supervaste fase overleeft totdat de magnetisatie verzadigt tot de maximale waarde.

Volgens Onoda, "Ons werk geeft aan dat de geleidbaarheid geassocieerd met de monopoolstroom aanzienlijk kan worden gecontroleerd door een magnetisch veld aan te leggen op kwantumspin-ijs en dat het mogelijk is om dissipatieloze monopoolstroom in de monopool supervaste fase te ontvangen. Onze bevindingen kunnen ook een nieuwe route openen naar de efficiënte controle van magnetisme voor een reeks potentiële toepassingen zoals geheugenapparaten."