Potwierdzono istnienie trzeciego rodzaju magnetyzmu - kwantowej cieczy spinowej

Witaj, Gościu! [ Rejestracja | Logowanierss

 

 

Potwierdzono istnienie trzeciego rodzaju magnetyzmu – kwantowej cieczy spinowej

  • Data publikacji: 20 grudnia 2012 20:45
  • Dodane przez: Greg




Potwierdzono istnienie trzeciego rodzaju magnetyzmu – kwantowej cieczy spinowej

Naukowcy z MIT-u udowodnili eksperymentalnie istnienie trzeciego podstawowego stanu magnetycznego – kwantowej cieczy spinowej (quantum spin liquid – QSL). Dotychczas istnienie takiego stanu było postulowane jedynie teoretycznie.

Znany od wieków ferromagnetyzm oraz odkryty stosunkowo niedawno antyferromagnetyzm to dwa podstawowe rodzaje magnetyzmu. Od pewnego czasu teoretycy spekulowali, że istnieje też trzeci stan – kwantowa ciecz spinowa. Przewidywano, że w pewnych stałych kryształach istnieje stan magnetyczny, który zachowuje się jak ciecz. Orientacja magnetyczna poszczególnych cząstek miała w nich ciągle się zmieniać, przypominając ruch molekuł w płynie.

Koncepcję QSL stworzył w 1987 roku Philip Anderson. Stwierdził wówczas, że ten rodzaj magnetyzmu może być istotny dla stworzenia nadrzewodników pracujących w wysokich temperaturach. Dlatego też naukowcy od lat poszukiwali dowodów na istnienie SQL. Dopiero w ciągu ostatnich lat udało się nam dokonać postępu – mówi profesor Young Lee z MIT-u.
Wykazaliśmy, że istnieje trzeci podstawowy rodzaj magnetyzmu – dodaje. Mimo, iż jego zmierzenie było bardzo trudne, uczony zapewnia, że uzyskane dane to jeden z najsolidniejszych zestawów eksperymentalnych danych na ten temat. To, co było do niedawna teoretycznym modelem jest obecnie prawdziwym systemem fizycznym – stwierdził naukowiec.

QSL zmierzono w krysztale herbertsmithytu – ZnCu3(OH)6Cl2. Po 10 miesiącach hodowania udało się w ubiegłym roku uzyskać czysty kryształ o długości 7 milimetrów i wadze 0,2 grama. Od tamtej pory był on poddawany szczegółowym badaniom.
W pracach brali udział fizycy, chemicy oraz fizycy teoretyczni. W czasie eksperymentów zauważono istnienie ułamkowego wzbudzenia. Niektórzy teoretycy przewidywali taką możliwość, lecz był to bardzo kontrowersyjny pomysł. Większość materii posiada stany kwantowe, których zmiany wyrażane są liczbami całkowitymi. W badanym materiale QSL zauważono ułamkowe stany kwantowe. Naukowcy zaobserwowali też, że stany te, spinony, tworzą kontinuum.

Uczonym udało się zmierzyć te stany za pomocą techniki rozpraszania neutronów. Po raz pierwszy w sposób jasny i szczegółowy widzimy potwierdzenie teorii dotyczących kwantowych cieczy spinowych – mówi Lee.

Jego zdaniem odkrycie to przyczyni się do udoskonalenia systemów przechowywania danych czy systemów komunikacyjnych. Jednak minie jeszcze sporo czasu zanim uda się zastosować powyższe badania w praktyce.

Źródła: mit.edu kopalniawiedzy.pl

ENG

Following up on earlier theoretical predictions, MIT researchers have now demonstrated experimentally the existence of a fundamentally new kind of magnetic behavior, adding to the two previously known states of magnetism.

Ferromagnetism — the simple magnetism of a bar magnet or compass needle — has been known for centuries. In a second type of magnetism, antiferromagnetism, the magnetic fields of the ions within a metal or alloy cancel each other out. In both cases, the materials become magnetic only when cooled below a certain critical temperature. The prediction and discovery of antiferromagnetism — the basis for the read heads in today’s computer hard disks — won Nobel Prizes in physics for Louis Neel in 1970 and for MIT professor emeritus Clifford Shull in 1994.

“We’re showing that there is a third fundamental state for magnetism,” says MIT professor of physics Young Lee. The experimental work showing the existence of this new state, called a quantum spin liquid (QSL), is reported this week in the journal Nature, with Lee as the senior author and Tianheng Han, who earned his PhD in physics at MIT earlier this year, as lead author.

The QSL is a solid crystal, but its magnetic state is described as liquid: Unlike the other two kinds of magnetism, the magnetic orientations of the individual particles within it fluctuate constantly, resembling the constant motion of molecules within a true liquid.

Finding the evidence

There is no static order to the magnetic orientations, known as magnetic moments, within the material, Lee explains. “But there is a strong interaction between them, and due to quantum effects, they don’t lock in place,” he says.

Although it is extremely difficult to measure, or prove the existence, of this exotic state, Lee says, “this is one of the strongest experimental data sets out there that [does] this. What used to just be in theorists’ models is a real physical system.”

Philip Anderson, a leading theorist, first proposed the concept in 1987, saying that this state could be relevant to high-temperature superconductors, Lee says. “Ever since then, physicists have wanted to make such a state,” he adds. “It’s only in the past few years that we’ve made progress.”

The material itself is a crystal of a mineral called herbertsmithite. Lee and his colleagues first succeeded in making a large, pure crystal of this material last year — a process that took 10 months — and have since been studying its properties in detail.

“This was a multidisciplinary collaboration, with physicists and chemists,” Lee explains. “You need both … to synthesize the material and study it with advanced physics techniques. Theorists were also crucial to this.”

Through its experiments, the team made a significant discovery, Lee says: They found a state with fractionalized excitations, which had been predicted by some theorists but was a highly controversial idea. While most matter has discrete quantum states whose changes are expressed as whole numbers, this QSL material exhibits fractional quantum states. In fact, the researchers found that these excited states, called spinons, form a continuum. This observation, they say in their Nature paper, is “a remarkable first.”

Scattering neutrons

To measure this state, the team used a technique called neutron scattering, which is Lee’s specialty. To actually carry out the measurements, they used a neutron spectrometer at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Md.

The results, Lee says, are “really strong evidence of this fractionalization” of the spin states. “That’s a fundamental theoretical prediction for spin liquids that we are seeing in a clear and detailed way for the first time.”

It may take a long time to translate this “very fundamental research” into practical applications, Lee says. The work could possibly lead to advances in data storage or communications, he says — perhaps using an exotic quantum phenomenon called long-range entanglement, in which two widely separated particles can instantaneously influence each other’s states. The findings could also bear on research into high-temperature superconductors, and could ultimately lead to new developments in that field, he says.

“We have to get a more comprehensive understanding of the big picture,” Lee says. “There is no theory that describes everything that we’re seeing.”

Subir Sachdev, a professor of physics at Harvard University who was not connected with this work, says that these findings, which have been anticipated for decades, “are very significant and open a new chapter in the study of quantum entanglement in many-body systems.” The detection of such states, he says, was an “exceptionally difficult task. Young Lee and his group brilliantly overcame these challenges in their beautiful experiment.”

In addition to Lee and Han, the work was carried out by J.S. Helton of NIST, research scientist Shaoyan Chu of MIT’s Center for Materials Science and Engineering, MIT chemistry professor Daniel Nocera, Jose Rodriguez-Rivera of NIST and the University of Maryland, and Colin Broholm of Johns Hopkins University. The work was supported by the U.S. Department of Energy and the National Science Foundation.

Podobne:



Dodaj komentarz

  • Możesz wysłać prywatną wiadomość do Użytkownika.