Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland, Romain Sibille en Nicolas Gauthier, bestuderen een fascinerend monster met behulp van neutronen bij de Spallation Neutron Source (SNS) van het Department of Energy (DOE's) in het Oak Ridge National Laboratory.

Hun doel is om een ​​waarneembaar geval van kwantumspin-ijs te creëren, een bizarre magnetische toestand gevonden in een speciale klasse materialen die zou kunnen leiden tot vooruitgang in kwantumcomputertechnologieën.

"We bestuderen voornamelijk oxiden, die zeldzame-aarde magnetische elementen bevatten, "zei Sibille. "Op dit moment, we bestuderen een monster dat kandidaat is voor een magnetische fase die, tot dusver, is moeilijk waar te nemen:kwantumspin-ijs. We hopen dit te vinden en te demonstreren met de nieuwe mogelijkheden hier bij SNS's HYSPEC-instrument met behulp van polarisatie en de superspiegel van PSI."

in 2015, HYSPEC, SNS-straallijn 14B, ontving een nieuwe groothoek polariserende supermirror-array gebouwd door wetenschappers en ingenieurs van PSI. Met de nieuwe superspiegel kunnen gebruikers driedimensionale polarisatieanalyses van neutronenexcitaties uitvoeren.

Studies naar gefrustreerd magnetisme met behulp van neutronenverstrooiing worden steeds populairder onder wetenschappers, zeggen de onderzoekers, grotendeels vanwege de mogelijkheid om deze unieke kwantumtoestanden te vinden. Vooral kwantumspin-ijs maakt deel uit van een grotere klasse van magnetische fasen, of grondtoestanden, "quantum spin-vloeistoffen" genoemd.

Spin-ijs is een magnetische substantie die geen conventioneel magnetisme vertoont, zoals te zien is in traditionele staafmagneten met noord- en zuidpolen waar de elektronen parallel zijn uitgelijnd. In plaats daarvan, de magnetische momenten van het materiaal - of "spins" - rangschikken in wanordelijke of "gefrustreerde" toestanden en fluctueren tussen verschillende configuraties, zelfs in extreem koude omstandigheden wanneer wordt verwacht dat deeltjes op hun plaats zullen bevriezen.

"De magnetische momenten komen niet in een fase waarin ze allemaal in een bepaalde richting zijn en zo blijven, " legde Sibille uit. "In plaats daarvan, het systeem komt in een fase die dynamisch en macroscopisch gedegenereerd is. Dat betekent dat er een zeer groot aantal verschillende lokale configuraties is van de magnetische momenten, en dat aantal schaalt met de grootte van de steekproef. De grondtoestand fluctueert tussen deze configuraties en komt niet in een statische langeafstandsvolgorde."

De studie van kwantumspinvloeistoffen is nog steeds een theoretisch veld, omdat de hulpmiddelen die nodig zijn om deze fasen te observeren beperkt zijn.

"In principe, we zijn bijna beperkt tot het gebruik van neutronen om ze te observeren, " zei Sibille. "Het monster dat we gebruiken zal ook worden gekoeld tot 50 milliKelvin [ongeveer -459 ° F] - extreem koud. Het is, op dit moment althans bijna onmogelijk om röntgenexperimenten te doen in deze omstandigheden."

"Met neutronen, je kunt de diffuse verstrooiing makkelijker in kaart brengen dan met röntgenstraling, te, "voegde Gauthier toe. "Echter, wat 'kwantumspin-ijs' wordt genoemd, is wanneer kwantumfluctuaties ervoor zorgen dat de spin-ijsconfiguraties onderling tunnelen, zelfs bij nul temperatuur. Dit leidt tot het ontstaan ​​van exotische excitaties die met neutronen kunnen worden bestudeerd. Dit is het meest interessante en waar mensen momenteel intensief naar op zoek zijn."

"We zijn erg verheugd om de eerste PSI-gebruikers van de supermirror te zijn, "zei Sibille. "Als het werkt, het is zowel een zeer interessante wetenschappelijke case als een mooie prestatie voor de samenwerking tussen PSI en Oak Ridge."

De onderzoeksresultaten van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .