В статье, опубликованной в Nature Physics, группа исследователей из Технологического института Джорджии, Университета Теннесси и Национальной лаборатории Окриджа Министерства энергетики использовала нейтроны для изучения происхождения необычного магнитного поведения в оксиде металла на основе редкоземельных элементов. , тетраоксид иттербия-магния-галлия (YbMgGaO4). Материал, открытый в 2015 году, известен своими странными магнитными свойствами, что помещает его в уникальную категорию материалов, классифицируемых как квантовые спиновые жидкости.
«Квантовая спиновая жидкость — это экзотическое состояние вещества, характеризующееся запутыванием частиц на больших расстояниях в атомном масштабе», — сказал ведущий исследователь Мартин Муригал, доцент физики Технологического института Джорджии.Подумайте о коте Шредингера, мысленном эксперименте, сказал он: многие частицы участвуют в квантовой суперпозиции, где несколько квантовых состояний объединяются, образуя новое квантовое состояние, и не могут быть охарактеризованы поведением отдельных частиц.По определению, сказал он, «это то, что мы не можем объяснить с помощью классической физики».
В серии экспериментов на источнике нейтронов расщепления ORNL исследователи выявили три ключевые особенности, лежащие в основе экзотических свойств материала:антиферромагнитные взаимодействия, когда группы электронных спинов имеют антипараллельное выравнивание со своими соответствующими соседями; анизотропия спинового пространства, означающая, что отдельные магнитные моменты сильно предпочитают выравниваться по определенным направлениям в материале; и химический беспорядок между магнитными слоями материала, который рандомизирует взаимодействия между электронными спинами.Нейтроны хорошо подходят для изучения магнетизма, поскольку отсутствие у них электрического заряда позволяет им проникать сквозь материалы, даже когда энергия нейтронов мала. Нейтроны также обладают магнитными моментами, что позволяет исследователям напрямую исследовать поведение спинов в материалах.«Рассеяние нейтронов — единственный метод, который позволяет нам изучать динамику квантовых спиновых жидкостей при самых низких температурах», — сказал Муригал.
Однако квантовые спиновые жидкости представляют собой проблему, потому что их магнитные моменты постоянно меняются. В типичных материалах исследователи могут зафиксировать спины в определенных симметричных узорах, снизив температуру образца, но этот подход не работает на спиновых жидкостях.
В первых измерениях рассеяния нейтронов на монокристаллическом образце YbMgGaO4 на спектрометре с прерыванием холодных нейтронов, CNCS, исследователи обнаружили, что даже при температуре 0,06 кельвина (примерно отрицательные 460 градусов по Фаренгейту) магнитные возбуждения оставались неупорядоченными или неупорядоченными. нечеткие ". Это флуктуирующее магнитное поведение, которое, как известно, происходит с квантовыми спиновыми жидкостями, противоречит законам классической физики.«Когда мы помещали его в балку, материал извергал вращающуюся жидкость», — сказал Муригал.Чтобы преодолеть эту нечеткость, команда использовала магнит 8 Тесла для создания магнитного поля, которое зафиксировало спины в упорядоченном и частично замороженном состоянии, что позволило улучшить измерения.
«После того, как мы применили магнитное поле, мы смогли измерить когерентные магнитные возбуждения в материале, которые распространяются как звуковые волны», — сказал специалист по инструментам CNCS Георг Элерс. «Когда нейтрон входит в материал, он летит под действием магнитного момента и встряхивает его. Соседние магнитные моменты видят это, и все они начинают вибрировать в унисон. Частота этих колебаний определяется энергией между соседними спинами. "Эти измерения магнитного поля позволили команде напрямую подтвердить теоретические ожидания и обеспечили физическое понимание поведения спина и системы в целом.«Квантовая спиновая жидкость — это по сути коллективное состояние материи», — сказал Муригал. «Но если вы хотите понять общество, вам нужно понять и отдельных людей».
Затем команда обратилась к другому прибору SNS, спектрометру Ферми Чоппера с высоким разрешением, SEQUOIA, чтобы понять индивидуальные свойства магнитных моментов.«В редкоземельных магнитах богатая физика, подобная той, что наблюдалась на приборе CNCS, может возникать из того факта, что отдельные вращения могут предпочитать указывать в определенных направлениях в кристалле», — сказал специалист по инструментам SEQUOIA Мэтью Стоун. «SEQUOIA исследовала локализованные состояния с более высокой энергией, чтобы подтвердить правильность отдельных частей модели, использованной для описания данных CNCS».
Муригал говорит, что информация, полученная в ходе экспериментов, позволит исследователям разработать более совершенные теоретические модели для дальнейшего изучения этих квантовых явлений.«Хотя точная природа квантового состояния, содержащегося в этом материале, еще полностью не установлена, мы обнаружили, что здесь важны химический беспорядок и другие эффекты», — сказал Муригал. «С помощью этих экспериментов мы действительно смогли определить, какие ингредиенты необходимо включить в рецепт квантовой спиновой жидкости в этом материале».