Stare cuantică neobișnuită a materiei observată pentru prima dată

2Zr2O7, proiectat în laboratorul Andreei Bianchi. Credit: Universitatea din Montreal” width=”503″ height=”530″/>

O mostră a magnetului frustrat pe bază de ceriu, Ce2Zr2O7, proiectat în laboratorul Andreei Bianchi. Credit: Universitatea din Montreal

Nu în fiecare zi descoperim o nouă stare a materiei în fizica cuantică, domeniul științific dedicat descrierii comportamentului particulelor atomice și subatomice pentru a le elucida proprietățile.

Cu toate acestea, asta a făcut o echipă internațională de cercetători, inclusiv Andrea Bianchi, profesor de fizică la Universitatea din Montreal și cercetător la Regruparea Quebec pentru Materiale Avansate, și studenții săi Avner Fitterman și Jérémi Dudemaine.

Într-un articol recent publicat în revista științifică Examenul fizic Xcercetătorii documentează o „stare fundamentală a lichidului cuantic spin” într-un material magnetic creat în laboratorul lui Bianchi: Aceasta2Zr2O7un compus compus din ceriu, zirconiu și oxigen.

Ca un lichid închis într-un solid extrem de rece

În fizica cuantică, spinul este o proprietate internă a electronilor legată de rotația lor. Este rotația care conferă materialului unui magnet proprietățile sale magnetice.

În unele materiale, spinul are ca rezultat o structură dezorganizată similară cu cea a moleculelor dintr-un lichid, de unde termenul de „lichid de spin”.

În general, un material devine mai dezorganizat pe măsură ce temperatura îi crește. Acesta este cazul, de exemplu, când apa se transformă în abur. Dar principala caracteristică a lichidelor de spin este că rămân dezorganizate chiar și atunci când sunt răcite la zero absolut (-273 ° C).

Lichidele de spin rămân dezorganizate, deoarece direcția de rotație continuă să fluctueze pe măsură ce materialul se răcește în loc să se stabilizeze în stare solidă, așa cum este cazul unui magnet clasic, în care toate spinurile sunt aliniate.

Arta de a „frustra” electronii

Imaginează-ți un electron ca o busolă mică îndreptată în sus sau în jos. La magneții convenționali, spinurile electronilor sunt toate îndreptate în aceeași direcție, în sus sau în jos, creând ceea ce se numește o „fază ferromagnetică”. Este ceea ce păstrează fotografiile și notele fixate pe frigider.

Dar în lichidele cu spin cuantic, electronii sunt poziționați într-o rețea triunghiulară și formează un „trii” caracterizat de turbulențe intense care interferează cu ordinea lor. Rezultatul este o funcție de undă încurcată și nicio ordine magnetică.

„Când se adaugă un al treilea electron, spinurile electronilor nu se pot alinia, deoarece cei doi electroni vecini trebuie să aibă întotdeauna spini opuși, creând ceea ce numim frustrare magnetică”, a explicat Bianchi. „Acest lucru generează excitații care mențin tulburarea de spin și, prin urmare, starea lichidă, chiar și la temperaturi foarte scăzute”.

Deci, cum au adăugat un al treilea electron și au provocat o asemenea frustrare?

Creați un grup în trei

Intră în magnetul frustrat Acesta2Zr2O7 creat de Bianchi în laboratorul său. La lista sa lungă de realizări în dezvoltarea materialelor avansate, cum ar fi supraconductorii, putem adăuga acum „maestru în arta magneților frustranți”.

Acest2Zr2O7 este un material pe bază de ceriu cu proprietăți magnetice. „Existența acestui compus era cunoscută”, a spus Bianchi. „Descoperirea noastră a fost să-l creăm într-o formă deosebit de pură. Am folosit mostre topite într-un cuptor optic pentru a produce un aranjament triunghiular aproape perfect de atomi, apoi am verificat starea cuantică”.

Acest triunghi aproape perfect i-a permis lui Bianchi și echipei sale UdeM să creeze o frustrare magnetică în Ce2Zr2O7. Împreună cu cercetătorii de la universitățile de stat McMaster și Colorado, Laboratorul Național Los Alamos și Institutul Max Planck pentru Fizica Sistemelor Complexe din Dresda, Germania, au măsurat împrăștierea magnetică a compusului.

„Măsurătorile noastre au arătat o funcție a particulelor suprapuse – deci fără vârfuri Bragg – un semn clar al absenței ordonării magnetice clasice”, a spus Bianchi. „Am observat, de asemenea, o distribuție a spinării cu direcții care fluctua continuu, care este caracteristică lichidelor de spin și frustrării magnetice. Acest lucru indică faptul că materialul creat de noi se comportă ca un adevărat lichid de rotație la temperaturi scăzute.”

De la vis la realitate

După ce a coroborat aceste observații cu simulări pe computer, echipa a concluzionat că au fost într-adevăr martori la o stare cuantică nemaivăzută până acum.

„Identificarea unei noi stări cuantice a materiei este un vis devenit realitate pentru orice fizician”, a spus Bianchi. „Materialul nostru este inovator, deoarece suntem primii care arătăm că poate fi de fapt sub forma unui lichid de spin. Această descoperire ar putea deschide ușa către noi abordări în proiectarea computerelor cuantice”.

Magneți frustrați pe scurt

Magnetismul este un fenomen colectiv în care electronii unui material se rotesc toți în aceeași direcție. Un exemplu comun sunt feromagneții, care își datorează proprietățile magnetice alinierii spinurilor. Electronii învecinați se pot roti și în direcții opuse. În acest caz, învârtirile au încă direcții bine definite, dar nu există magnetizare. Magneții frustrați sunt frustrați deoarece electronii vecini încearcă să-și orienteze spinurile în direcții opuse, iar atunci când ajung într-o rețea triunghiulară, nu se mai pot stabili într-un aranjament comun, stabil. Rezultatul: un magnet frustrat.


Sondajul computerizat confirmă primul lichid de spin cuantic 3D


Mai multe informatii:
EM Smith și colab., Caz pentru o stare de bază lichidă de spin cuantic U(1)π în dipol-octupol piroclor Ce2Zr2O7,Examenul fizic X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Furnizat de Universitatea din Montreal

Citat: Stare cuantică neobișnuită a materiei observată pentru prima dată (11 mai 2022) Preluat la 11 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment