Naukowcy byli pionierami nowego materiału na bazie rutenu, który wykazuje złożone, nieuporządkowane właściwości magnetyczne podobne do tych przewidywanych dla kwantowych cieczy spinowych, nieuchwytnego stanu materii.
Ten przełom w badaniach wskazuje na znaczny potencjał rozwoju materiałów kwantowych, które wykraczają poza klasyczne prawa fizyczne, zapewniając nowe spostrzeżenia i zastosowania w sferze kwantowej.
Nowatorskie materiały kwantowe
Naukowcom z powodzeniem opracowano nowe podejście do tworzenia materiałów o złożonych, „zaburzonych” właściwościach magnetycznych na poziomie kwantowym. Po raz pierwszy wyprodukowali materiał spełniający wymagania nieuchwytnego „kwantowego stanu ciekłego spinu Kitajewa”, zjawiska, które od dziesięcioleci intryguje badaczy.
Ten przełom, opublikowany dzisiaj (15 listopada) w Komunikacja przyrodnicza przez naukowców z Uniwersytet w Birminghamstanowi znaczący krok w kierunku projektowania i kontrolowania materiałów kwantowych o unikalnych właściwościach, które przeczą fizyce klasycznej.
Zrozumienie oddziaływań magnetycznych
Co najważniejsze, materiał oferuje nowy sposób badania właściwości magnetycznych, które zasadniczo różnią się od konwencjonalnych ferromagnesów, które są uporządkowane wokół dwóch biegunów magnetycznych. W tradycyjnych ferromagnesach – takich jak magnesy sztabkowe na lodówkach lub tablicach ogłoszeniowych – elektrony oddziałują na siebie, ustawiając się w tym samym kierunku, tworząc siłę magnetyczną. Z kolei te nowe materiały wykazują nieuporządkowane zachowanie magnetyczne, otwierając ekscytujące możliwości w nauce i technologii kwantowej.
Kwantowe materiały w postaci cieczy spinowej mają właściwości magnetyczne, które nie zachowują się w ten sposób. Zamiast uporządkowanych właściwości ferromagnetyków, materiały te są nieuporządkowane, a znajdujące się w nich elektrony łączą się magnetycznie w procesie zwanym splątaniem kwantowym.
Eksperymentalne przełomy i wyzwania
Chociaż kwantowe ciecze spinowe istnieją w teorii i były modelowane przez naukowców, wcześniej nie było możliwości ich wytworzenia eksperymentalnie ani znalezienia w naturze.
W nowym badaniu naukowcy opisują właściwości nowego materiału na bazie rutenu, który otwiera nowe ścieżki badania tych stanów materii.
Główna badaczka, dr Lucy Clark, wyjaśnia: „Ta praca to naprawdę ważny krok w zrozumieniu, w jaki sposób możemy konstruować nowe materiały, które pozwolą nam badać kwantowe stany materii. Otwiera przed nami dużą rodzinę materiałów, które jak dotąd nie zostały dostatecznie zbadane, a które mogą dostarczyć ważnych wskazówek na temat tego, w jaki sposób możemy opracować nowe właściwości magnetyczne do zastosowań kwantowych”.
Podstawy teoretyczne i ograniczenia praktyczne
Chociaż istnieje wiele naturalnie występujących minerałów miedzi i układów kryształów mineralnych, w przypadku których naukowcy uważają, że może istnieć stan ciekły ze spinem kwantowym, nie zostało to udowodnione ze względu na dodatkową złożoność strukturalną występującą w przyrodzie. Złożoność kwantowych cieczy spinowych stwarza trudności również dla teoretyków, ponieważ modelowanie skutkuje wieloma konkurencyjnymi oddziaływaniami magnetycznymi, które są niezwykle trudne do rozwikłania, co powoduje niezgodę wśród fizyków.
Model stworzony przez fizyka teoretyka Aleksieja Kitajewa w 2009 roku był w stanie wykazać pewne podstawowe zasady dotyczące kwantowych cieczy spinowych, jednak opisane w nim oddziaływania magnetyczne wymagały środowiska, którego naukowcy nie byli w stanie wytworzyć eksperymentalnie bez powrotu materiałów do konwencjonalnie uporządkowanego układu magnetycznego. państwo.
Uważa się, że to zachowanie jest powiązane z gęsto upakowanymi strukturami krystalicznymi materiałów kandydatów. Ponieważ jony są upakowane tak blisko siebie, że mogą bezpośrednio oddziaływać ze sobą, w wyniku czego powracają do porządku magnetycznego.
Możliwości w badaniach z zakresu nauk o materiałach
Korzystanie ze specjalistycznych instrumentów w brytyjskim ISIS Neutron and Muon Source oraz Źródło światła diamentuzespołowi z Birmingham udało się wykazać, że nowy materiał o otwartej strukturze szkieletowej może dostroić interakcje między jonami metalu rutenu, zapewniając nową drogę do kwantowego stanu ciekłego spinu Kitaeva.
Co ważne, oddziaływania magnetyczne powstające w tych bardziej otwartych strukturach są słabsze niż mogłyby być w innym przypadku, co daje naukowcom większe możliwości dostrojenia ich precyzyjnych zachowań.
„Chociaż prace te nie doprowadziły do powstania doskonałego materiału Kitaeva, wykazały użyteczny pomost między teorią w tej dziedzinie a eksperymentami i otworzyły nowe, owocne obszary badań” – dodał dr Clark.
Odniesienie: „Interakcje Kitaeva poprzez rozszerzone ścieżki superwymiany w jeff = 1/2 Ru3+ magnes o strukturze plastra miodu RuP3SiO11” 15 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53900-3
