Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory gebruikten neutronenverstrooiing om te bepalen of de atomaire structuur van een specifiek materiaal een nieuwe staat van materie zou kunnen bevatten, een spiraalvormige spinvloeistof. Door kleine magnetische momenten te volgen die bekend staan ​​​​als "spins" op het honingraatrooster van een gelaagde ijzertrichloridemagneet, vond het team het eerste 2D-systeem met een spiraalvormige spinvloeistof.

De ontdekking biedt een testbed voor toekomstige studies van natuurkundige fenomenen die de volgende generatie informatietechnologieën kunnen aandrijven. Deze omvatten fractons, of collectieve gekwantiseerde trillingen die veelbelovend kunnen zijn in kwantumcomputing, en skyrmionen, of nieuwe magnetische spintexturen die de opslag van gegevens met hoge dichtheid kunnen bevorderen.

"Materialen die spiraalspinvloeistoffen bevatten, zijn bijzonder opwindend vanwege hun potentieel om te worden gebruikt om kwantumspinvloeistoffen, spintexturen en fractonexcitaties te genereren", zegt Shang Gao van ORNL, die de studie leidde die werd gepubliceerd in Physical Review Letters .

Een lang gekoesterde theorie voorspelde dat het honingraatrooster een spiraalvormige spinvloeistof kan bevatten - een nieuwe fase van materie waarin spins fluctuerende kurkentrekkerachtige structuren vormen.

Maar tot de huidige studie ontbrak experimenteel bewijs van deze fase in een 2D-systeem. Een 2D-systeem bestaat uit een gelaagd kristallijn materiaal waarin de interacties in de planaire richting sterker zijn dan in de stapelrichting.

Gao identificeerde ijzertrichloride als een veelbelovend platform voor het testen van de theorie, die meer dan tien jaar geleden werd voorgesteld. Hij en co-auteur Andrew Christianson van ORNL benaderden Michael McGuire, ook van ORNL, die uitgebreid heeft gewerkt aan het kweken en bestuderen van 2D-materialen, met de vraag of hij een monster van ijzertrichloride zou synthetiseren en karakteriseren voor neutronendiffractiemetingen. Zoals 2D-grafeenlagen in bulkgrafiet bestaan ​​als honingraatroosters van zuivere koolstof, bestaan ​​2D-ijzerlagen in bulkijzertrichloride als 2D-honingraatlagen. "Eerdere rapporten lieten doorschemeren dat dit interessante honingraatmateriaal bij lage temperaturen complex magnetisch gedrag zou kunnen vertonen," zei McGuire.

"Elke honingraatlaag van ijzer heeft chlooratomen erboven en eronder, waardoor chloor-ijzer-chloorplaten worden gemaakt," zei McGuire. "De chlooratomen bovenop de ene plaat hebben een zeer zwakke wisselwerking met de chlooratomen aan de onderkant van de volgende plaat door van der Waals-binding. Deze zwakke binding zorgt ervoor dat materialen als deze gemakkelijk uiteenvallen in zeer dunne lagen, vaak tot een enkele plaat Dit is handig voor het ontwikkelen van apparaten en het begrijpen van de evolutie van de kwantumfysica van drie dimensies naar twee dimensies."

In kwantummaterialen kunnen elektronenspins zich collectief en exotisch gedragen. Als één spin beweegt, reageren ze allemaal - een verstrengelde toestand die Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde. Het systeem blijft in een staat van frustratie - een vloeistof die wanorde in stand houdt omdat elektronenspins constant van richting veranderen, waardoor andere verstrengelde elektronen gedwongen worden om in reactie daarop te fluctueren.

De eerste neutronendiffractiestudies van ijzerchloridekristallen werden 60 jaar geleden uitgevoerd bij ORNL. Tegenwoordig maakt ORNL's uitgebreide expertise op het gebied van materiaalsynthese, beeldvorming, neutronenverstrooiing, theorie, simulatie en berekening baanbrekende verkenningen mogelijk van magnetische kwantummaterialen die de ontwikkeling van technologieën van de volgende generatie voor informatiebeveiliging en opslag stimuleren.

Het in kaart brengen van spinbewegingen in de spiraalspinvloeistof werd mogelijk gemaakt door experts en tools van de Spallation Neutron Source en de High Flux Isotope Reactor, DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten bij ORNL. ORNL-co-auteurs waren essentieel voor het succes van de neutronenverstrooiingsexperimenten:Clarina dela Cruz, die experimenten leidde met behulp van HFIR's POWDER-diffractometer; Yaohua Liu, die experimenten leidde met de CORELLI-spectrometer van SNS; Matthias Frontzek, die experimenten leidde met WAND ² van HFIR diffractometer; Matthew Stone, die experimenten leidde met de SEQUOIA-spectrometer van SNS; en Douglas Abernathy, die experimenten leidde met de ARCS-spectrometer van SNS.

"De neutronenverstrooiingsgegevens van onze metingen bij SNS en HFIR leverden overtuigend bewijs van een spiraalvormige spin-vloeistoffase," zei Gao.

"De experimenten met neutronenverstrooiing hebben gemeten hoe de neutronen energie en momentum uitwisselen met het monster, waardoor de magnetische eigenschappen kunnen worden afgeleid", zei co-auteur Matthew Stone. Hij beschreef de magnetische structuur van een spiraalvormige spinvloeistof:"Het ziet eruit als een topografische kaart van een groep bergen met een aantal ringen die naar buiten gaan. Als je langs een ring zou lopen, zouden alle spins in dezelfde richting wijzen. Maar als je naar buiten loopt en verschillende ringen doorkruist, zul je zien dat die spins om hun as beginnen te draaien. Dat is de spiraal."

"Onze studie toont aan dat het concept van een spiraalvormige spinvloeistof levensvatbaar is voor de brede klasse van honingraatroostermaterialen", zei co-auteur Andrew Christianson. "Het geeft de gemeenschap een nieuwe route om spintexturen en nieuwe excitaties, zoals fractons, te verkennen die vervolgens kunnen worden gebruikt in toekomstige toepassingen, zoals kwantumcomputers."

De titel van het artikel is 'Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice'. + Verder verkennen

Onderzoeker gebruikt HFIR om de mysterieuze wereld van kwantumspin te verkennen