Vloeibaar kristal is een toestand van materie die zowel vloeibare als vaste eigenschappen vertoont. Het kan stromen als een vloeistof, terwijl de samenstellende moleculen op één lijn liggen als in een vaste stof. Vloeibaar kristal wordt tegenwoordig veel gebruikt, bijvoorbeeld als kernelement van LCD-apparaten.

De magnetische analoog van dit soort materiaal wordt de 'spin-nematische fase' genoemd, waarbij spinmomenten de rol van de moleculen spelen. Het is echter nog niet direct waargenomen, ondanks de voorspelling van een halve eeuw geleden. De belangrijkste uitdaging komt voort uit het feit dat de meeste conventionele experimentele technieken ongevoelig zijn voor spin-quadrupolen, die de bepalende kenmerken zijn van deze spin-nematische fase.

Maar nu is een team van onderzoekers onder leiding van professor Kim Bumjoon van het IBS Center for Artificial Low-Dimensional Electronic Systems in Zuid-Korea er nu voor het eerst ter wereld in geslaagd om spin-quadrupolen rechtstreeks waar te nemen. Dit werk werd mogelijk gemaakt door opmerkelijke prestaties in de afgelopen decennia op het gebied van de ontwikkeling van synchrotronfaciliteiten.

De IBS-onderzoekers concentreerden hun onderzoek op iridiumoxide Sr₂ met een vierkant rooster IrO₄ , een materiaal dat eerder werd erkend vanwege zijn antiferromagnetische dipolaire orde bij lage temperaturen. Deze studie heeft onlangs het naast elkaar bestaan ​​van een spin-quadrupolaire orde ontdekt, die waarneembaar wordt door zijn interferentie met de magnetische orde. Dit interferentiesignaal werd gedetecteerd door 'circular-dichroïsche resonante röntgendiffractie', een geavanceerde röntgentechniek die gebruik maakt van een circulair gepolariseerde röntgenbundel.

Verdere verificatie van deze ontdekking kwam door middel van 'polarisatie-opgeloste resonante inelastische röntgenverstrooiing', waarbij werd onthuld dat de magnetische excitaties aanzienlijk afweken van het verwachte gedrag voor die in conventionele magneten.

Om deze experimenten te voltooien, hebben de onderzoekers in Zuid-Korea de afgelopen vier jaar samengewerkt met het Argonne National Laboratory in de VS om een ​​resonante inelastische röntgenverstrooiingsbundellijn te construeren in het Pohang Accelerator Laboratory.

Last but not least gebruikten de onderzoekers een reeks optische technieken, waaronder Raman-spectroscopie en magneto-optische Kerr-effectmeting, om aan te tonen dat de vorming van de spin-quadrupoolmomenten plaatsvindt bij hogere temperaturen dan de magnetische orde. Binnen dit temperatuurbereik heeft het iridiumoxide alleen spin-quadrupoolmomenten, maar geen magnetische orde, waardoor een spin-nematische fase wordt gerealiseerd.

Alles bij elkaar is dit de eerste directe observatie van de spin-quadrupoolmomenten in een spin-nematische fase.

"Dit onderzoek was haalbaar omdat de infrastructuur en mogelijkheden van röntgenexperimenten in Zuid-Korea een mondiaal concurrerend niveau hadden bereikt", zegt prof. Kim Bumjoon, corresponderend auteur van deze studie.

"De ontdekking van de spin-nematische fase heeft ook aanzienlijke implicaties voor kwantumcomputing en informatietechnologieën", voegt prof. Cho Gil Young, co-auteur van deze studie en professor aan de Pohang University of Science and Technology, toe.

Een ander opwindend aspect van de spin-nematische fase is het potentieel voor supergeleiding bij hoge temperaturen. In de spin-nematische fase zijn de spins sterk verstrengeld, wat door natuurkundige P.W. Anderson werd gesuggereerd als een cruciaal ingrediënt voor supergeleiding bij hoge temperaturen.

Bovendien, gezien het feit dat iridiumoxide Sr₂ IrO₄ is uitgebreid bestudeerd vanwege de opvallende overeenkomsten met het koperoxide-supergeleidende systeem bij hoge temperaturen, wat een groeiende belangstelling voor dit materiaal als een potentieel nieuw supergeleidend systeem bij hoge temperaturen aanwakkert, evenals de relatie ervan met de spin-nematische fase.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Meer informatie: B. J. Kim, Quantum spin-nematische fase in een iridaat met vierkant rooster, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Instituut voor Basiswetenschappen