Los estudios de dispersión de neutrones de un óxido de metal de tierras raras han identificado piezas fundamentales para el rompecabezas de líquido de espín cuántico, revelando una mejor comprensión de cómo y por qué los momentos magnéticos dentro de estos materiales exhiben comportamientos exóticos como no congelarse en una disposición ordenada incluso cercatemperaturas cero absolutas.
en un artículo publicado en Física de la naturaleza , un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de Tennessee y el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizó neutrones para examinar los orígenes de un comportamiento magnético inusual en un óxido de metal con base en tierras raras, el iterbio y magnesio.tetraóxido de galio YbMgGaO4. Se sabe que el material, descubierto en 2015, tiene propiedades magnéticas extrañas, lo que lo ubica en una categoría única de materiales clasificados como líquidos de espín cuántico.
"Un líquido de espín cuántico es un estado exótico de la materia caracterizado por el enredo de partículas a largas distancias a través de la escala atómica", dijo el investigador principal Martin Mourigal, profesor asistente de física en el Instituto de Tecnología de Georgia.
Piense en el gato de Schrödinger, el experimento mental, dijo: Muchas partículas participan en una superposición cuántica, donde múltiples estados cuánticos se combinan para formar un nuevo estado cuántico, y no pueden caracterizarse por el comportamiento de partículas individuales.
Por definición, dijo, "es algo que no podemos explicar con la física clásica".
En una serie de experimentos en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, los investigadores revelaron tres características clave que sustentan las propiedades exóticas del material :
interacciones antiferromagnéticas, donde los grupos de espines de electrones tienen una alineación antiparalela con sus respectivos vecinos; anisotropía del espacio de espín, lo que significa que los momentos magnéticos individuales prefieren alinearse con direcciones específicas en el material; y desorden químico entre las capas magnéticas del material que aleatoriza elinteracciones entre espines de electrones.
Los neutrones son muy adecuados para estudiar el magnetismo porque su falta de carga eléctrica les permite penetrar a través de los materiales, incluso cuando la energía de los neutrones es baja. Los neutrones también tienen momentos magnéticos, lo que permite a los investigadores probar directamente el comportamiento de los espines dentro de los materiales.
"La dispersión de neutrones es la única técnica que nos permite estudiar la dinámica de los líquidos de espín cuántico a las temperaturas más bajas", dijo Mourigal.
Sin embargo, los líquidos de espín cuántico presentan un desafío porque sus momentos magnéticos cambian constantemente. En materiales típicos, los investigadores pueden bloquear los espines en ciertos patrones simétricos al reducir la temperatura de la muestra, pero este enfoque no funciona en los líquidos de espín.
En las primeras mediciones de dispersión de neutrones del equipo de una muestra de un solo cristal YbMgGaO4 en el espectrómetro de neutrones fríos Chopper de CNS, los investigadores observaron que, incluso a una temperatura de 0.06 kelvins aproximadamente 460 grados Fahrenheit negativos, las excitaciones magnéticas permanecieron desordenadaso "difuso". Este comportamiento magnético fluctuante, que se sabe que ocurre con los líquidos de espín cuántico, va en contra de las leyes de la física clásica.
"El material gritó líquido giratorio cuando lo colocamos en el rayo", dijo Mourigal.
Para superar esta confusión, el equipo usó un imán de 8 Tesla para crear un campo magnético que bloqueó los giros en una disposición ordenada y parcialmente congelada, lo que permitió mejores mediciones.
"Una vez que aplicamos el campo magnético, pudimos medir excitaciones magnéticas coherentes en el material que se propagan como ondas de sonido", dijo el científico del instrumento CNCS Georg Ehlers. "Cuando un neutrón entra en el material, vuela por unmomento magnético y lo sacude. Los momentos magnéticos cercanos ven que esto sucede, y todos comienzan a vibrar al unísono. La frecuencia de estas vibraciones está determinada por la energía entre los giros vecinos ".
Esas mediciones de campo magnético permitieron al equipo validar directamente las expectativas teóricas y proporcionaron una comprensión física del comportamiento del giro y del sistema en su conjunto.
"Un líquido de espín cuántico es un estado de materia intrínsecamente colectivo", dijo Mourigal. "Pero si quieres entender a la sociedad, también necesitas entender a los individuos".
El equipo luego recurrió a otro instrumento SNS, el instrumento de espectrómetro Fermi Chopper de resolución fina, SEQUOIA, para comprender las propiedades individuales de los momentos magnéticos.
"En los imanes de tierras raras, la física rica, como lo que se observó en el instrumento CNCS, puede surgir del hecho de que los espines individuales pueden preferir apuntar a ciertas direcciones en un cristal", dijo el científico del instrumento SEQUOIA Matthew Stone. "SEQUOIAexaminó los estados localizados de mayor energía para confirmar que las piezas individuales del modelo utilizado para describir los datos CNCS eran correctas "
Mourigal dice que la información obtenida de los experimentos permitirá a los investigadores desarrollar mejores modelos teóricos para estudiar más a fondo estos fenómenos cuánticos.
"Si bien la naturaleza exacta del estado cuántico alojado por este material aún no se ha establecido completamente, hemos descubierto que el desorden químico y otros efectos son importantes aquí", dijo Mourigal. "Con estos experimentos, realmente hemos estadocapaz de precisar qué ingredientes deben tomarse en la receta para un líquido de centrifugado cuántico en este material "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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