Новое состояние материала: квантовая неупорядоченной жидкости-как магнитные моменты

Будущее технологии зависит, в значительной степени, на новые материалы, но работы по созданию этих материалов начинается лет, прежде чем какие-либо конкретные заявления о них известно. Стивен Уилсон, профессор материалами в колледже Калифорнийского университета в Санта Барбаре технических наук, работает в том, что «задолго до» мира, пытаясь создать новые материалы, которые демонстрируют желаемые новые состояния.

В газете «поле-перестраиваемых квантовых неупорядоченных основного состояния в треугольной решетки антиферромагнетика NaYbO2», опубликованной в журнале Nature физики, Уилсон и коллеги Леона Баленц, из кампус Кавли Институт теоретической физики, и Марк Шервин, профессор кафедры физики, описать их открытие долгожданной «квантовое состояние спиновой жидкости» в материале NaYbO2 (натрия оксида иттербия). Исследование возглавил студенческий материалов Bordelon Митчелл, а также участие студентов-физиков Chunxiao Лю, Марзие Kavand и Юаньци Лю и преддипломной химии ученик Лоренцо Posthuma, а также сотрудников в Бостонском колледже и в Национальном институте стандартов и технологий США.

На уровне атомов, электронов в одном материале структура решетки, ведут себя по-разному, как индивидуально, так и коллективно, от другой материал. В частности, «спин», или электрона собственного магнитного момента (сродни врожденной стержневого магнита) и его склонность к общению и координации с магнитными моментами соседних электронов отличается по материалу. Различные типы спиновых систем и коллективных моделей заказ эти моменты, как известно, происходят, и материаловеды постоянно ищет новые, в том числе тех, которые предположили, но пока не доказано.

«Есть определенные, более классические моменты, которые вы знаете, с очень высокой степенью уверенности утверждать, что спин направлен в определенном направлении», — пояснил Уилсон. «В те квантовые эффекты малы. Но есть определенные моменты, где квантовые эффекты являются большими, и вы не можете точно ориентировать спин, так что есть неопределенности, которые мы называем квантовой флуктуации'».

Квантовых магнитных состояний являются те, в которых магнетизм вещества обусловлен в основном такие квантовые флуктуации, как правило, вытекает из принципа неопределенности, присущие магнитные моменты. «Итак, вы видите магнитный момент, но принцип неопределенности говорит, что я не могу прекрасно ориентироваться, что в каком-то одном направлении», — отметил Уилсон.

Объясняя квантовое состояние спиновой жидкости, которая была предложена давно и является предметом данной статьи, Уилсон сказал: «в обычные материалы, магнитные моменты разговаривать друг с другом и хочет сориентироваться относительно друг друга образуют рисунок в порядок». В классических материалов, этот порядок нарушается тепловым флуктуациям, что Уилсон описывает как «просто тепло из окружающей среды».

«Если материал достаточно теплый, он является немагнитным, т. е. моменты все перемешаны по отношению друг к другу», — пояснил он. «После того как материал охлаждается, моменты начать общаться, таких, что их связь друг с другом outcompetes тепловые флуктуации и они образуют упорядоченное состояние. Это классический магнетизм».

Но в квантовом мире, и магнитные моменты, которые колеблются на самом деле может быть присуща «основного состояния» материала.

«Таким образом, вы можете спросить, есть ли магнитное состояние, в котором моменты исключается от замерзания или формируя определенную комбинацию дальнего порядка по отношению друг к другу, а не тепловыми флуктуациями, а путем квантовых флуктуаций», — сказал Уилсон. «Квантовые флуктуации становятся более актуальными, как материал остывает, в то время как тепловые колебания увеличиваются по мере ее нагревания, поэтому вы хотите найти магнит, который не заказывает пока вы можете получить его достаточно прохладно, такой, что квантовые флуктуации не позволяют ему когда-нибудь заказ.»

Что квантовая расстройство является желательным, поскольку он связан с обвитием, квантово-механические качества, что делает его возможным для кодирования квантовой информации. Чтобы определить, является ли NaYbO2 может демонстрировать, что характерно, исследователи должны были определить сущностные, или основное состояние магнитных моментов материала, Когда все тепловые колебания удаляются. В данной системе, Уилсон был в состоянии определить экспериментально установлено, что магнитные моменты неразрывно в колебания, неупорядоченном состоянии, тем самым подтвердив, что существует квантовый неупорядоченного состояния.

Чтобы найти предположили государства, сказал Уилсон, «сначала надо высоко ставить квантовые магнитные моменты в материале, но ваш материал должен быть сконструирован таким образом, что моменты не хочу заказывать. Вы, что, используя принцип магнитной фрустрации'».

Простой способ думать о том, что, по словам Уилсона, это представить себе один треугольник в структуру кристаллической решетки материала. «Допустим, я построю свой материал так, что магнитные моменты расположены на треугольной решетке», — сказал он, «и они все говорят друг с другом таким образом, что они хотят, чтобы сориентироваться antiferromagnetically, или антипараллельны друг другу.»

В этом расположение, рядом любой момент на треугольник хочет ориентировать антипараллельно своего соседа. Но ведь есть нечетное число очков, то есть в одной точке и один вниз (встречно-параллельно первому) во второй точке, это означает, что третий момент имеет разную ориентацию момент на каждой стороне, так что не знаю, что делать. Все моменты, которые конкурируют друг с другом.

«Это магнитное разочарование, и, как оказалось, он снижает температуру, при которой моменты наконец-то сможем найти какой-то механизм, они все согласовать», — сказал Уилсон. «Так, например, в классическом, природа решает, что в некоторых температура несоответствующие моменты согласен, что они все указывают на 120 градусов относительно друг друга. Так они не все на 100% счастливы, но это какой-то компромисс, что создает упорядоченное состояние».

Оттуда он добавил, что «идея состоит в том, чтобы взять расстроен решетке, где вы уже подавили в упорядоченном состоянии, и добавить квантовых флуктуаций, которые берут на себя, как вы охладить материал. Магнитная фрустрация снижает температуру достаточно заказ так, что квантовые флуктуации в конечном счете, и система может стабилизироваться в корне неупорядоченных квантовых спиновых состояния».

Уилсон продолжил: «это парадигма, что люди ищут, однако, некоторые материалы могут показаться, чтобы отобразить это состояние, когда на самом деле, они не. Например, все реальные материалы имеют расстройства, такие как химические или структурные расстройства, и это может также предотвратить магнитные моменты эффективно разговаривать друг с другом и становятся заказал. В таком случае, как говорит Уилсон, «они могут сформировать расстроенном состоянии, но это скорее замороженной, или статические, неупорядоченном состоянии, чем это динамическое квантовое состояние.

«Так, если у меня есть магнитная система, которая не того, при очень низких температурах я могу измерить, это может быть сложно, пытаясь понять, является ли то, что я измеряю является неотъемлемой квантовой спиновой жидкости колебания типа государственного или заморожены, внешняя, химически приводимый в неупорядоченном состоянии. Это всегда обсуждается».

Среди наиболее интересных выводов о Этот новый материал, Уилсон сказал, что даже при минимальных измеряемых температур-.005 градусов по Цельсию выше абсолютного нуля-это еще не порядок.

«Однако, в этом материале мы также можем приложить магнитное поле, которое нарушает это конкуренция, порожденная магнитным разочарование, и тогда мы сможем загнать его в порядок, вызывая особого рода состояния антиферромагнитной», — добавил он. «Причина это важно потому, что это особое состояние-это очень тонкий и очень хороший отпечаток за сколько химического беспорядка есть в системе и его влияние на магнитное основное состояние. Тот факт, что мы можем управлять этой ориентированного государства говорит нам, что в расстроенном состоянии мы видим при низкой температуре с нулевого магнитного поля действительно свойственно квантовой расстроенном состоянии, что соответствует квантовой спиновой жидкости государства».