Geavanceerde materialen met nieuwere eigenschappen worden bijna altijd ontwikkeld door meer elementen aan de ingrediëntenlijst toe te voegen. Maar kwantumonderzoek suggereert dat sommige eenvoudigere materialen al geavanceerde eigenschappen hebben die wetenschappers gewoon niet konden zien, tot nu.

Onderzoekers van Georgia Tech en de Universiteit van Tennessee-Knoxville ontdekten verborgen en onverwacht kwantumgedrag in een vrij eenvoudig ijzerjodidemateriaal (FeI ₂ ) dat bijna een eeuw geleden werd ontdekt. De nieuwe onderzoeksinzichten in het gedrag van het materiaal werden mogelijk gemaakt met behulp van een combinatie van neutronenverstrooiingsexperimenten en theoretische fysica-berekeningen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's).

De bevindingen van het team - gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica - lost een 40 jaar oude puzzel op over het mysterieuze gedrag van het materiaal en kan worden gebruikt als een kaart om een ​​schat aan kwantumfenomenen in andere materialen te ontgrendelen.

"Onze ontdekking werd grotendeels gedreven door nieuwsgierigheid, " zei Xiaojian Bai, de eerste auteur van de krant. Bai behaalde zijn Ph.D. bij Georgia Tech en werkt als postdoctoraal onderzoeker bij ORNL, waar hij neutronen gebruikt om magnetische materialen te bestuderen. "Ik kwam dit ijzerjodidemateriaal in 2019 tegen als onderdeel van mijn proefschriftproject. Ik probeerde verbindingen te vinden met een magnetische driehoekige roosteropstelling die vertoont wat 'gefrustreerd magnetisme' wordt genoemd."

In gewone magneten, zoals koelkastmagneten, de elektronen van het materiaal zijn gerangschikt in een lijn als pijlen die ofwel allemaal in dezelfde richting wijzen - omhoog of omlaag - of ze wisselen tussen omhoog en omlaag. De richtingen waarin de elektronen wijzen, worden 'spins' genoemd. Maar in complexere materialen zoals ijzerjodide, de elektronen zijn gerangschikt in een driehoekig rooster, waarin de magnetische krachten tussen de drie magnetische momenten in conflict zijn en niet zeker weten in welke richting ze moeten wijzen - vandaar, 'gefrustreerd magnetisme.'

"Terwijl ik alle literatuur aan het doorlezen was, Ik merkte deze verbinding op, ijzerjodide, die in 1929 werd ontdekt en in de jaren 70 en 80 enigszins intensief werd bestudeerd, "zei Bai. "In die tijd, ze zagen een eigenaardigheid, of onconventionele gedragswijzen, maar ze hadden niet echt de middelen om volledig te begrijpen waarom ze het zagen. Dus, we wisten dat er iets onopgelost was dat vreemd en interessant was, en vergeleken met veertig jaar geleden, we hebben veel krachtigere experimentele tools beschikbaar, dus besloten we dit probleem opnieuw te bekijken en hoopten we nieuwe inzichten te kunnen geven."

Kwantummaterialen worden vaak beschreven als systemen die exotisch gedrag vertonen en de klassieke wetten van de fysica niet gehoorzamen - zoals een vast materiaal dat zich gedraagt ​​als een vloeistof, met deeltjes die bewegen als water en weigeren te bevriezen of zelfs bij vriestemperaturen hun beweging stoppen. Begrijpen hoe die exotische verschijnselen werken, of hun onderliggende mechanismen, is de sleutel tot het bevorderen van elektronica en het ontwikkelen van andere technologieën van de volgende generatie.

"In kwantummaterialen, twee dingen zijn van groot belang:fasen van materie zoals vloeistoffen, vaste stoffen, en gassen, en excitaties van die fasen, zoals geluidsgolven. evenzo, spingolven zijn excitaties van een magnetische vaste stof, " zei Martin Mourigal, hoogleraar natuurkunde aan Georgia Tech. "Voor een lange tijd, onze zoektocht in kwantummaterialen was om exotische fasen te vinden, maar de vraag die we ons in dit onderzoek stelden is:'Misschien is de fase zelf niet ogenschijnlijk exotisch, maar wat als het opwindend is?' En dat hebben we inderdaad gevonden."

Neutronen zijn ideale sondes om magnetisme te bestuderen, omdat ze zelf werken als microscopisch kleine magneten en kunnen worden gebruikt om te interageren met en andere magnetische deeltjes te exciteren zonder de atomaire structuur van een materiaal in gevaar te brengen.

Bai maakte kennis met neutronen toen hij een afgestudeerde student was van Mourigal's aan Georgia Tech. Mourigal is al enkele jaren een frequente gebruiker van neutronenverstrooiing bij ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) en Spallation Neutron Source (SNS), de gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science gebruiken om een ​​breed scala aan kwantummaterialen en hun verschillende en bizarre gedragingen te bestuderen.

Toen Bai en Mourigal het ijzerjodidemateriaal blootstelden aan een bundel neutronen, ze verwachtten een bepaalde excitatie of energieband te zien die verband houdt met een magnetisch moment van een enkel elektron; maar in plaats daarvan zagen ze er niet één, maar er treden tegelijkertijd twee verschillende kwantumfluctuaties op.

"Door neutronen konden we deze verborgen fluctuatie heel duidelijk zien en konden we het hele excitatiespectrum meten, maar we begrepen nog steeds niet waarom we zulk abnormaal gedrag zagen in een ogenschijnlijk klassieke fase, " zei Bai.

Voor antwoorden, ze wendden zich tot theoretisch natuurkundige Cristian Batista, Lincoln-leerstoelhoogleraar aan de Universiteit van Tennessee-Knoxville, en adjunct-directeur van ORNL's Shull Wollan Center - een gezamenlijk instituut voor neutronenwetenschappen dat bezoekende onderzoekers voorziet van aanvullende bronnen en expertise op het gebied van neutronenverstrooiing.

Met hulp van Batista en zijn groep, het team was in staat om het gedrag van de mysterieuze kwantumfluctuatie wiskundig te modelleren en, na het uitvoeren van aanvullende neutronenexperimenten met behulp van de CORELLI- en SEQUOIA-instrumenten bij SNS, ze waren in staat om het mechanisme te identificeren waardoor het verscheen.

"Welke theorie voorspelde en wat we konden bevestigen met neutronen, is dat deze exotische fluctuatie plaatsvindt wanneer de spinrichting tussen twee elektronen wordt omgedraaid, en hun magnetische momenten kantelen in tegengestelde richtingen, Batista zei. "Als neutronen interageren met de spins van de elektronen, de spins draaien synchroon langs een bepaalde richting in de ruimte. Deze choreografie veroorzaakt door neutronenverstrooiing creëert een spingolf."

Hij legde uit dat in verschillende materialen, elektronische spins kunnen veel verschillende oriëntaties en spinchoreografieën aannemen die verschillende soorten spingolven creëren. In de kwantummechanica, dit concept staat bekend als "golf-deeltjes dualiteit, " waarbij de nieuwe golven worden beschouwd als nieuwe deeltjes en onder normale omstandigheden typisch verborgen zijn voor neutronenverstrooiing.

"In zekere zin we zoeken naar donkere deeltjes, " voegde Batista eraan toe. "We kunnen ze niet zien, maar we weten dat ze er zijn omdat we hun effecten kunnen zien, of de interacties die ze hebben met de deeltjes die we kunnen zien."

"In de kwantummechanica, er is geen onderscheid tussen golven en deeltjes. We begrijpen het gedrag van het deeltje op basis van de golflengte, en dat is wat we met neutronen kunnen meten, " zei Bai.

Mourigal vergeleek de manier waarop neutronen deeltjes detecteren met golven die breken rond rotsen op het oceaanoppervlak.

"In stilstaand water kunnen we de rotsen op de bodem van de oceaan niet zien totdat een golf eroverheen beweegt, "Zei Mourigal. "Alleen door zoveel mogelijk golven te creëren met neutronen die, door de theorie van Cristian, Xiaojian kon de rotsen identificeren, of in dit geval de interacties die de verborgen fluctuatie zichtbaar maken.

Het benutten van kwantummagnetisch gedrag heeft al geleid tot technologische vooruitgang, zoals de MRI-machine en magnetische opslag op de harde schijf die persoonlijk computergebruik hebben gekatalyseerd. Meer exotische kwantummaterialen kunnen de volgende technologische golf versnellen.

Naast Bai, Mourigal, en Batista, de auteurs van het artikel zijn onder meer Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Mattheüs Steen, Alexander Kolesnikov, en Feng Ye.

Sinds hun ontdekking, het team heeft die inzichten gebruikt om voorspellingen te ontwikkelen en te testen in een bredere reeks materialen waarvan ze verwachten dat ze meer veelbelovende resultaten zullen opleveren.

"Naarmate we meer ingrediënten in een materiaal introduceren, we vergroten ook potentiële problemen zoals wanorde en heterogeniteiten. Als we echt schone kwantummechanische systemen op basis van materialen willen begrijpen en creëren, teruggaan naar deze eenvoudige systemen is misschien belangrijker dan we dachten, ' zei Mourigal.

"Dus dat lost de 40 jaar oude puzzel van de mysterieuze excitatie in ijzerjodide op, " zei Bai. "We hebben vandaag het voordeel in de vooruitgang van grootschalige neutronenfaciliteiten zoals SNS die ons in staat stellen om in principe de volledige energie- en momentumruimte van een materiaal te onderzoeken om te zien wat er gebeurt met deze exotische excitaties.

"Nu we begrijpen hoe dit exotische gedrag werkt in een relatief eenvoudig materiaal, we kunnen ons voorstellen wat we zouden kunnen vinden in meer gecompliceerde. Dit nieuwe begrip heeft ons gemotiveerd en hopelijk zal het de wetenschappelijke gemeenschap motiveren om meer van dit soort materialen te onderzoeken, wat zeker zal leiden tot interessantere fysica."