Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаКвантовая загадка полувека раскрыта: ученые впервые непосредственно наблюдают спиновые квадруполи

Квантовая загадка полувека раскрыта: ученые впервые непосредственно наблюдают спиновые квадруполи

- Advertisement -

Южнокорейские исследователи сделали революционное открытие, непосредственно наблюдая спиновые квадруполи в спин-нематической фазе с использованием передовых рентгеновских и оптических методов. Это достижение в изучении Sr2IrO4 открывает новые возможности в области квантовых вычислений и исследования высокотемпературной сверхпроводимости.

«Спин-нематическая фаза» — магнитный аналог жидкого кристалла — впервые наблюдалась в квантовой спиновой системе.

Жидкий кристалл представляет собой уникальное состояние вещества, сочетающее в себе характеристики жидкостей и твердых тел. Он обладает способностью течь подобно жидкости, но его молекулы сохраняют расположение, подобное тому, которое наблюдается в твердых телах. Жидкий кристалл в настоящее время широко используется, например, в качестве основного элемента ЖК-устройств. Магнитный аналог такого материала получил название «спин-нематическая фаза», где роль молекул играют спиновые моменты.

Однако, несмотря на предсказание, сделанное полвека назад, его до сих пор не наблюдали напрямую. Основная проблема связана с тем, что большинство традиционных экспериментальных методов нечувствительны к спиновые квадруполикоторые являются определяющими особенностями этой спин-нематической фазы.

Прорыв в наблюдении спин-нематической фазы

Но теперь впервые в мире группе исследователей под руководством профессора Кима Бумджуна из Центра искусственных низкоразмерных электронных систем IBS в Южной Корее удалось напрямую наблюдать спиновые квадруполи. Эта работа стала возможной благодаря замечательным достижениям последних десятилетий в разработке синхротронных установок.

Вращайте полумоменты на квадратной решетке. Помимо классического антиферромагнитного порядка (классический АФ), спиновые моменты могут иметь различные основные магнитные состояния, такие как суперпозиция спин-синглетных конфигураций (резонансная валентная связь; RVB) или антиферромагнетик с большими квантовыми флуктуациями (квантовый АФ). В оксиде иридия Sr2IrO4 спиновые квадрупольные моменты сосуществуют со скошенным антиферромагнетическим порядком. Фото: Институт фундаментальных наук.

Исследователи IBS сосредоточили свое исследование на оксиде иридия Sr2IrO4 с квадратной решеткой, материале, ранее известном своим антиферромагнитным диполярным порядком при низких температурах. Это исследование недавно обнаружило сосуществование спинового квадруполярного порядка, который становится наблюдаемым благодаря его интерференции с магнитным порядком. Этот интерференционный сигнал был обнаружен с помощью «круговой дихроичной резонансной рентгеновской дифракции», передовой рентгеновской техники, в которой используется рентгеновский луч с круговой поляризацией.

Передовые методы и сотрудничество

Дальнейшее подтверждение этого открытия произошло посредством «резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей с поляризационным разрешением», где было обнаружено, что магнитные возбуждения значительно отклоняются от поведения, ожидаемого для тех, кто в

Диполь-квадрупольная интерференция в круговой дихроичной резонансной дифракции рентгеновских лучей. (а) Спиновые квадрупольные моменты образуются при более высокой температуре (263 К), чем магнитные моменты (230 К). (б, в) При низких температурах интерференция спинового квадруполя и магнитных моментов проявляется в виде круговой дихроичной резонансной дифракции рентгеновских лучей — разности магнитных сигналов между левым и правым рентгеновскими пучками. Фото: Институт фундаментальных наук.

обычные магниты. Для завершения этих экспериментов исследователи из Южной Кореи в сотрудничестве с Аргоннской национальной лабораторией в США в течение последних четырех лет построили линию резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей в ускорительной лаборатории Пхохана.

И последнее, но не менее важное: исследователи использовали ряд оптических методов, включая рамановскую спектроскопию и измерение магнитооптического эффекта Керра, чтобы показать, что формирование спиновых квадрупольных моментов происходит при более высоких температурах, чем магнитный порядок. В этом диапазоне температур оксид иридия имеет только спиновые квадрупольные моменты, но не имеет магнитного порядка, реализуя спин-нематическую фазу.

В совокупности это первое прямое наблюдение спиновых квадрупольных моментов в спин-нематической фазе.

(а, б) Чертеж (а) и фотография (б) спектрометра резонансного неупругого рентгеновского рассеяния, установленного на канале 1С PLS-II. Фото: Институт фундаментальных наук.

«Это исследование стало осуществимым, потому что инфраструктура и возможности рентгеновских экспериментов в Южной Корее достигли мирового конкурентоспособного уровня», — говорит профессор Ким Бумджун, автор исследования.

«Открытие спин-нематической фазы также имеет важные последствия для квантовые вычисления и информационные технологии», — добавляет профессор Чо Гиль Янг, соавтор этого исследования и профессор Университета науки и технологий Пхохана.

Еще одним интересным аспектом спин-нематической фазы является ее потенциал высокотемпературной сверхпроводимости. В спин-нематической фазе спины сильно запутаны, что было предположено физиком П. У. Андерсоном как ключевой ингредиент высокотемпературной сверхпроводимости. Кроме того, учитывая, что оксид иридия Sr2ИрО4 был широко изучен из-за его поразительного сходства с высокотемпературной сверхпроводящей системой оксида меди, что подогревает растущий интерес к этому материалу как к потенциально новой высокотемпературной сверхпроводящей системе, а также из-за его связи со спин-нематической фазой.

Ссылка: «Нематическая фаза с квантовым спином в иридате с квадратной решеткой», авторы Хун Ким, Джин-Кван Ким, Джунён Квон, Чимин Ким, Хён-Ву Дж. Ким, Сынхёк Ха, Квангрэ Ким, Вонджун Ли, Джонхван Ким, Гиль Ён. Чо, Хёкджун Хо, Джунхо Чан, Си Джей Сале, А. Лонго, Дж. Стремпфер, Г. Фаббрис, Ю. Чхве, Д. Хаскель, Чон Хо Ким, Дж. -В. Ким и Би Джей Ким, 13 декабря 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4

Исследование финансировалось Институтом фундаментальных наук.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме