Bij voldoende lage temperaturen, magnetische systemen worden typisch vaste kristallen. Een bekend fenomeen waardoor dit gebeurt is ferromagnetisme, die optreedt wanneer alle elementaire momenten of spins op atomaire schaal op elkaar inwerken (d.w.z. de zogenaamde Heisenberg-interactie) en in één richting uitlijnen. Ferromagnetisme ondersteunt het functioneren van verschillende alledaagse voorwerpen, inclusief kompassen, koelkastmagneten en harde schijven.

In sommige gevallen, naburige momenten en spins kunnen anti-uitlijnen om de interactie-energie van het paar te minimaliseren. Wanneer een rooster een driehoekige geometrie heeft, echter, deze paarsgewijze minimalisering wordt onmogelijk, wat aanleiding geeft tot een fenomeen dat bekend staat als 'frustratie'.

Natuurkundigen voeren al tientallen jaren onderzoek uit om de grondtoestand van gefrustreerde kwantummagneten te bepalen. omdat dit belangrijke implicaties kan hebben voor de fysica van de gecondenseerde materie. Voortbouwend op deze eerdere studies, onderzoekers van de Paris-Saclay University en andere instellingen in Frankrijk hebben onlangs een experiment uitgevoerd om de grondtoestand van de archetypische kwantumkagome ZnCu te onthullen ₃ (OH) ₆ kl ₂ .

"Op een driehoekig rooster, spins zouden klassiek bestellen onder een hoek van 120 graden, het beste compromis in die frustrerende context, "Philippe Mendels, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In de jaren 70 stelde Phil Anderson een alternatief voor voor dit beste compromis wanneer kwantumeffecten belangrijk worden, zoals met halve spins, de zogenaamde resonerende valentiebindingstoestand. Naburige spins zouden nog steeds paren samenstellen (trouwen) en uiteenvallen (scheiden) om paren tussen nieuwe partners te creëren, wat leidt tot een typisch fluctuerend paarsamenstel."

De aanhoudend fluctuerende grondtoestand die door Anderson is getheoretiseerd, staat bekend als 'spin liquid' toestand, omdat het lijkt op de toestand die wordt waargenomen in vloeistoffen. Dit is een zeer verstrengelde staat met miljarden spins, waar individuele spins hun identiteit verliezen en opgaan in een macroscopische collectieve staat.

"Het idee van de spin-vloeistoftoestand werd door Anderson zelf nieuw leven ingeblazen als een kiem voor supergeleiding bij hoge temperaturen, ontdekt in de jaren tachtig, " legde Mendels uit. "In de jaren '90, mensen begonnen zich af te vragen onder welke omstandigheden deze RVB-toestand zou kunnen worden gestabiliseerd in antiferromagneten. Onderzoekers ontdekten al snel dat de kagome, een David stervormig rooster bestaande uit hoekdelende driehoeken, kan de ideale structuur zijn om naar spinvloeistoffen te zoeken, in het bijzonder met behulp van kwantumspins 1/2, die het meest onderhevig zijn aan schommelingen."

In de laatste paar decennia, veel studies waren gericht op twee eenvoudige onderzoeksvragen:of het stabiliseren van een vloeibare spin-toestand op een kagome-rooster eigenlijk mogelijk is, en als het zo is, wat de meest stabiele grondtoestand is die haalbaar is. Er zijn nu aanwijzingen dat het mogelijk is om een ​​spin-vloeibare toestand in kagome-roosters te bereiken, maar wat de meest stabiele bereikbare toestand is, blijft onduidelijk.

"Terwijl aan de experimentele kant, kagome materialen zijn schaars, een van hen, en nog steeds waarschijnlijk het beste voorbeeld tot nu toe, ZnCu ₃ (OH) ₆ kl ₂ , werd voor het eerst gesynthetiseerd in het midden van de jaren 2000 en werd pas in de jaren 2010 in kristallijne vorm geproduceerd, "Zei Mendels. "Dit fantastische materiaal stelt de gemeenschap van kwantummagnetisme in staat om theoretische voorspellingen uit te dagen, en verhoogt nu ons huidige begrip van het probleem."

In hun studie hebben die te zien was in Natuurfysica , Mendels en zijn collega's onderzochten de magnetische eigenschappen van de kagome ZnCu ₃ (OH) ₆ kl ₂ grondtoestand. Hun uiteindelijke doel was om te ontdekken tot welke klasse spinvloeistoffen dit materiaal behoort.

"De natuur is niet perfect, en hoewel waarschijnlijk het beste prototype voor de kagome antiferromagneet, ZnCu ₃ (OH) ₆ kl ₂ nog steeds last van gebreken, "Zei Mendels. "Zn en Cu lijken te veel op elkaar om te blijven waar ze idealiter zouden moeten blijven om een ​​perfecte spin-½-kagome-antiferromagneet te produceren. sommige Cu ²⁺ spins lokaliseren inderdaad uit het kagome-rooster en verdoezelen de onderzoeken, pleiten voor standaard experimenten zoals magnetisatie-specifieke warmte."

In hun experimenten, Mendels en zijn collega's gebruikten nucleaire magnetische resonantie (NMR), een techniek die het verzamelen van lokale waarnemingen mogelijk maakt en die de basis vormt voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), een van de meest gebruikte methoden om medische aandoeningen op te sporen. Via lage temperatuur NMR, ze waren in staat om onderscheid te maken tussen defecte en niet-defecte gebieden in het materiaal om de unieke handtekeningen van kagome-spins te isoleren. Deze procedure stelde de onderzoekers uiteindelijk in staat om specifieke kenmerken en dynamiek in ZnCu . te onderscheiden ₃ (OH) ₆ kl ₂ .

Wanneer u onderscheid probeert te maken tussen verschillende klassen spinvloeistoffen, wetenschappers moeten eerst proberen te begrijpen hoe paren spins breken op een manier die past bij het beeld dat Anderson in zijn theorieën schetst. Dit betekent bepalen of er een kloof is tussen grond en aangeslagen toestanden, wat een grotere uitdaging kan zijn bij het omgaan met een superpositie van kwantumtoestanden. Het onderzoek van Mendels en zijn collega's zou een van de eerste stappen in die richting kunnen zijn.

"Door de lokale gevoeligheid te bestuderen, de reactie op een magnetisch veld, en de manier waarop de excitaties optreden wanneer we het monster verwarmen van temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, we laten duidelijk zien dat er geen gat is in het excitatie-energiespectrum en bespreken enige consistentie met recente voorspellende theorieën over de excitaties, "Zei Mendels. "Wat de uiteindelijke conclusie ook zal zijn, we bieden sterke beperkingen aan theorieën en verkleinen het bereik van mogelijke modellen."

In hun recente werk Mendels en zijn collega's verzamelden waardevolle nieuwe inzichten over de toestanden en kenmerken van kagome-materialen. Algemeen, hun bevindingen suggereren dat archetypische kwantumkagome ZnCu ₃ (OH) ₆ kl ₂ herbergt geen spin gap, die is afgestemd op numerieke berekeningen uitgevoerd door andere onderzoeksteams. In de toekomst, deze belangrijke observatie zou als basis kunnen dienen voor andere fysica-studies van de gecondenseerde materie, uiteindelijk het huidige begrip van gefrustreerde kwantummagneten verbreden.

"Een van onze langetermijndromen is om een ​​zeer gefrustreerde, zo niet Kagome, kwantummateriaal dat kan worden gedoteerd om een ​​metaal te worden, voldoen aan Anderson's visie op een nieuw soort supergeleider, "Zei Mendels. "De reikwijdte van dit werk is nog breder, als topologie in gecondenseerde materie is erg populair geworden na de 2016 Nobelprijs. Op Kagome gebaseerde metalen zijn zeer gewild vanwege hun topologische eigenschappen. Ons werk kan nieuwe wegen openen voor onderzoek naar nieuwe concepten, maar het kan ook helpen om nieuwe uitdagingen in de fundamentele natuurkunde en materiaalwetenschap aan te gaan."

© 2020 Wetenschap X Netwerk