Nucleaire technieken bij ANSTO hebben geholpen om een ​​kwantumspinfenomeen te bevestigen, een Haldane-fase, in een magnetisch materiaal, dat potentieel heeft om te worden gebruikt als een meetmodel voor kwantumberekening.

Hoewel er experimenteel bewijs is van de Haldane-fase in andere soorten eendimensionale antiferromagnetische materialen, er wordt aangenomen dat het het eerste bewijs is in een op clusters gebaseerd materiaal.

"Het neutronenspectrum van Pelican leverde de gegevens die bevestigden dat de Haldane-toestand in fedotoviet bestaat, zoals voorgesteld door onze andere metingen en theoretische studies. De neutronengegevens toonden zowel spin-gap als dispersie, die kenmerken zijn van de staat Haldane, " zei hoofdauteur A/Prof Masayoshi Fujihara van de Tokyo University of Science.

In een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven als een 'Editors' Suggestie', een grote samenwerking van onderzoekers, onder leiding van natuurkundigen uit Japan, ANSTO-instrumentwetenschappers drs. Richard Mole, Dehong Yu en Shinichiro Yano van het National Synchrotron Radiation Research Center in Taiwan (die het Taiwanese instrument Sika bedient bij ANSTO), gedeeld experimenteel bewijs van de Haldane-fase in fedotovite.

Het raamwerk voor deze ongewone toestand van materie werd voorspeld door Prof Duncan Haldane, die in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde deelde voor de ontwikkeling van de 'topologische fasen van de materietheorie' met David Thouless en Michael Kosterlitz.

Quasi eendimensionale spinsystemen, zoals fedotovite K ₂ Cu ₃ O(SO ₄ ) ₃ , een ongewoon magnetisch gedrag vertonen bij zeer lage temperaturen, waarin de grondtoestand een eendimensionale keten is in een tripletconfiguratie met S=1 spin.

De S=1 treedt op omdat er een even aantal S=1/2 is op de magnetische Cu2+-ionen aan de uiteinden van de spinketen, zoals voorspeld door Haldane.

"Quasi-eendimensionale ketens zoals fedotovite hebben geen enkele spin maar een groep spins die een cluster vormt. Een cluster van atomen interageert dan zwak met het naburige cluster van atomen, ' zei Mol.

Magnetische koppeling vindt plaats vanwege superuitwisselingsinteracties tussen de spinclusters en kleine antiferromagnetische koppeling binnen het cluster.

"Dat gapped-gedrag is waarneembaar in het Pelican-spectrum, die zeer gevoelig is voor zwakke magnetische interacties, ' zei Mol.

De fedotovite heeft een unieke rangschikking van magnetische ionen en tweetraps magnetisch gedrag.

Inelastische neutronenverstrooiing op de Pelican time-of-flight spectrometer legde de spin gap op 1,5 K vast met een magnitude van 0,6. meV die sluit bij 4,0 K. De metingen waren in overeenstemming met theoretische voorspellingen.

"We hebben het over zeer kleine hoeveelheden energie, maar de kloof is reëel, " zei Yu.

"De Haldane-toestand zal ontstaan ​​​​wanneer het aantal tetraëders in de spinclusterketen even maar niet oneven is, zoals voorspeld door onze theoretische berekeningen in dit artikel, ' zei Yano.

De kristalstructuur van het mineraal fedotoviet werd oorspronkelijk bepaald door Russische wetenschappers in de jaren '90, het huidige werk maakte echter gebruik van een nieuw ontwikkelde synthetische methode in het Fujiahala-lab aan de Tokyo University of Science.

Hierdoor konden grote hoeveelheden monsters met een hoge zuiverheid worden gemaakt, wat essentieel was voor de experimenten met neutronenverstrooiing.

De kristalstructuur werd bepaald door röntgendiffractie in de Photon Factory, High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Japan.