Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wetenschappers onthullen mysterieus en uniek gedrag in een kwantummagnetisch materiaal

SrCu2 (BO3 )2 en het magnetische excitatiespectrum onder veldgeïnduceerde condensatie. Credit:Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z

In de mysterieuze wereld van kwantummaterialen gedragen dingen zich niet altijd zoals we verwachten. Deze materialen hebben unieke eigenschappen die worden beheerst door de regels van de kwantummechanica, wat vaak betekent dat ze taken kunnen uitvoeren op manieren die traditionele materialen niet kunnen – zoals het geleiden van elektriciteit zonder verlies – of magnetische eigenschappen hebben die nuttig kunnen zijn in geavanceerde technologieën.



Sommige kwantummaterialen bevatten kleine magnetische golven die magnonen worden genoemd en die zich op raadselachtige manieren gedragen. Het begrijpen van magnonen helpt ons geheimen te ontsluiten over hoe magneten op microscopisch niveau werken, wat cruciaal is voor de volgende generatie elektronica en computers.

Wetenschappers hebben bestudeerd hoe deze magnonen zich gedragen onder sterke magnetische velden, en ze dachten dat ze wisten wat ze konden verwachten – tot nu toe. In een nieuw onderzoek in Natuurcommunicatie hebben onderzoekers onder leiding van Henrik Rønnow en Frédéric Mila van EPFL een nieuw, onverwacht gedrag onthuld in het kwantummateriaal strontiumkoperboraat, SrCu2 (BO3 )2 . De studie daagt ons huidige begrip van de kwantumfysica uit, maar duidt ook op opwindende mogelijkheden voor toekomstige technologieën.

Het enige spel in de stad

Maar waarom dit materiaal? De details zijn behoorlijk technisch, maar SrCu2 (BO3 )2 is belangrijk op het gebied van kwantummaterialen omdat het het enige bekende voorbeeld uit de echte wereld is van het ‘Shastry-Sutherland-model’, een theoretisch raamwerk voor het begrijpen van structuren waarbij de rangschikking en interacties van atomen voorkomen dat ze zich in een eenvoudige, geordende staat nestelen .

Deze structuren staan ​​bekend als "zeer gefrustreerde roosters" en geven het kwantummateriaal vaak complexe, ongebruikelijke gedragingen en eigenschappen. Dus de unieke structuur van SrCu2 (BO3 )2 maakt het een ideale kandidaat voor het bestuderen van complexe kwantumfenomenen en transities.

De magneet- en neutronenspectrometer van 25,9 Tesla in de onderzoeksfaciliteit in het Helmholtz-Zentrum Berlijn. Credit:Ellen Fogh (EPFL)

Neutronenverstrooiing en enorme magnetische velden

Om de magnonen in SrCu2 te bestuderen (BO3 )2 gebruikten de wetenschappers een techniek die neutronenverstrooiing wordt genoemd. In wezen vuurden ze neutronen op het materiaal af en maten hun afbuigingen ervan. Neutronenverstrooiing is bijzonder effectief bij het bestuderen van magnetische materialen, omdat neutronen, die een neutrale lading hebben, magnetisme kunnen ontcijferen zonder te worden verstoord door de lading van elektronen en kernen in het materiaal.

Dit werk werd uitgevoerd in de neutronenverstrooiingsfaciliteit met hoog veld in Helmholtz-Zentrum Berlin, die velden tot 25,9 Tesla kon onderzoeken, waardoor dit een ongekend niveau van magnetisch veldonderzoek werd, waardoor de wetenschappers het gedrag van de magnonen konden observeren. direct.

Vervolgens combineerden ze de gegevens met 'cilindermatrix-product-toestanden'-berekeningen, een krachtige rekenmethode die hielp de experimentele waarnemingen van de neutronenverstrooiing te bevestigen en het tweedimensionale kwantumgedrag van het materiaal te begrijpen.

Er zijn twee nodig voor de tango

De unieke benadering bracht iets verrassends aan het licht:in plaats van zich te gedragen als afzonderlijke, onafhankelijke eenheden – zoals verwacht – vormden de magnonen van het materiaal paren en vormden ze ‘gebonden staten’ – alsof ze paren om te dansen in plaats van solo te gaan.

Deze ongebruikelijke combinatie leidt tot een nieuwe, onverwachte kwantumtoestand die gevolgen heeft voor de eigenschappen van het materiaal:de ‘spin-nematische fase’. Zie het als magneten op een koelkast:normaal gesproken wijzen ze naar het noorden of het zuiden (dat is de draai), maar deze nieuwe fase gaat niet over de richting waarnaar ze wijzen, maar eerder over hoe ze op elkaar aansluiten, waardoor een uniek patroon ontstaat.

Deze ontdekking onthult een gedrag in magnetische materialen dat nog nooit eerder is gezien. Deze ontdekking van een verborgen regel in de kwantumfysica zou ons kunnen leiden naar nieuwe manieren om magnetische materialen te gebruiken voor kwantumtechnologieën waar we nog niet eens aan hebben gedacht.

Meer informatie: Ellen Fogh et al., Veldgeïnduceerde condensatie van gebonden toestanden en spin-nematische fase in SrCu2 (BO3 )2 onthuld door neutronenverstrooiing tot 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI:10,1038/s41467-023-44115-z

Aangeboden door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe internationaal toerisme en reizen een manier kunnen zijn om invasieve soorten te introduceren
  2. Hoe langzame spiervezels hun buren overtuigen om zich bij hen aan te sluiten
  3. Insecten kunnen mensen leren omgaan met tegenslag
  4. Hoe het Alien Hand Syndroom werkt
  5. De Stoned Ape-hypothese:hebben paddo's de menselijke evolutie beïnvloed?
  6. Wat zijn de verschillen tussen PCR en klonen?
  7. Onthul de mysteries van celdeling in embryo's met timelapse-fotografie
  8. Genoomonderzoek daagt eerder begrip van de oorsprong van fotosynthese uit
  9. Hoe het Jeruzalem-syndroom werkt

Wetenschap