Quantum Spin -væsker (QSL’er) er fascinerende og mystiske tilstande af stof, der har fascineret forskere i årtier. Først foreslået af Nobelprisvinderen Philip Anderson i 1970’erne bryder disse materialer de konventionelle regler for magnetisme ved aldrig at slå sig ned i en stabil magnetisk tilstand, selv ved temperaturer tæt på absolut nul.
I stedet forbliver atomerne i dem i dem konstant svingende og sammenfiltret, hvilket skaber en slags magnetisk “væske.” Denne usædvanlige opførsel er drevet af et fænomen kaldet magnetisk frustration, hvor konkurrerende kræfter forhindrer systemet i at nå en enkelt, ordnet konfiguration.
QSL’er er notorisk vanskelige at studere. I modsætning til almindelige magnetiske materialer viser de ikke de sædvanlige tegn på magnetiske overgange, hvilket gør det svært at opdage og forstå dem ved hjælp af traditionelle teknikker. Som et resultat har deres opførsel været et undvigende puslespil for forskere.
Materialet β’-etme3SB (PD (DMIT)2)2en molekylær krystal med et trekantet gitter, har været en stærk kandidat til at udstille QSL -opførsel. Den måde, disse spins er arrangeret på, skaber iboende frustration, fordi interaktionerne mellem nabolande spins ikke alle kan være tilfredse på én gang.
Denne opsætning virker ideel til en QSL -tilstand, men selvom tidligere undersøgelser antydede, at den kunne opføre sig som en kvante spin -væske, var forskere ikke sikre på, om det virkelig var en 2D QSL, eller om andre faktorer, som en reduktion i dimensioner, påvirkede dens opførsel. Dette spørgsmål har været kernen i den aktuelle forskning.
En undersøgelse, der involverede professor Yasuyuki Ishii fra Shibaura Institute of Technology, Yugo Oshima og Hitoshi SEO fra Riken Cluster til banebrydende forskning, Francis L. Pratt fra Rutherford Appleton Laboratory og Takao Tsumuraya fra Kumamoto University, offentliggjort i Journalen Fysiske gennemgangsbreve Den 3. december 2024 giver interessant indsigt i dette mysterium.
Professor Ishii og Dr. Oshima havde uafhængigt observeret tegn på en-dimensionel spin-opførsel af β’-etme3SB (PD (DMIT)2)2 I Muon Spin Rotation (µSR) og Electron Spin Resonance (ESR) eksperimenter (ESR), men disse var langt fra den konventionelle idé om 2D trekantede magneter, så de var på et vanskeligt tidspunkt med at fortolke dem.
De bad derefter om en teoretisk analyse fra Dr. Seo, lektor Tsumuraya og deres kolleger. Endelig, ved hjælp af avanceret teoretisk modellering, opdagede forskerne, at spin-dynamik i dette materiale domineres af kvasi-en-dimensionel (1D) opførsel, der udfordrede traditionelle forventninger til 2D QSL’er.
Forfatterne, specialister i magnetisk resonans og nye magnetiske fænomener, kombineret ESR og μSR med teoretisk modellering for at udforske β’-etme3SB (PD (DMIT)2)2. “Vi præsenterer en anden eksperimentel tilgang til undersøgelse af jordtilstanden β’-etme3SB (PD (DMIT)2)2 Brug af ESR og µSR
ESR måler spin anisotropi og diffusion ved at analysere den magnetiske respons af elektroner i materialet. μSR giver indsigt i materialets spin -afslapningsdynamik og dimensionalitet ved at spore, hvordan Muon spins interagerer med magnetiske felter.
Disse eksperimentelle teknikker blev komplementeret med densitetsfunktionelle teori (DFT) beregninger og udvidede Hubbard-model-simuleringer for at forstå den elektroniske struktur og magnetiske interaktioner.
De fandt ud af, at spin-opførslen i β’-etme3SB (PD (DMIT)2)2 domineres af kvasi-1d (en-dimensionel) dynamik snarere end den forventede 2D-opførsel. Selvom 1D -spin -diffusion normalt skal vises i den retning, hvor den magnetiske interaktion er stærkest, er den retning, der er angivet af ESR, blevet betragtet som den svageste interaktion i det trekantede gitter baseret på tidligere teoretiske beregninger.
Dette var overraskende, fordi materialets 2D -struktur fik forskere til at forvente 2D spin -dynamik. Muon spin afslapningseksperimenter bekræftede en b-0,5 Mønster i spin -afslapning, som er en signatur af 1D spin -diffusion. ESR understøttede også dette, hvilket viste, at spinbevægelse var anisotropisk eller retningsafhængig.
“De unikke egenskaber ved kvante spin-væsker har potentialet til fremtidige applikationer i næste generations teknologier såsom kvantecomputere og spintronics-enheder. Den nuværende forskning er et vigtigt skridt hen imod dette fundament og åbner vejen for fremtidige teknologiske innovationer,” tilføjer CO -Autor Yugo Oshima, der beskriver bidragene fra undersøgelsen.
På trods af disse nye indsigter er der stadig spørgsmål om, hvor nøjagtigt dimensionel reduktion fungerer i denne sammenhæng. Forholdet mellem magnetisk frustration, kvanteudsving og multi-orbitale effekter har brug for yderligere undersøgelse.
Professor Ishii og teamet planlægger at anvende deres metoder til at studere andre QSL -kandidater med det formål at afsløre generelle regler, der styrer disse materialer. Deres arbejde understreger vigtigheden af at bruge avancerede teknikker som ESR og μSR til at tackle udfordringerne ved at studere QSL’er.
Ved at bekræfte, at kvante spin-væske-tilstande findes og kan måles dynamisk, bringer denne undersøgelse forskere tættere på at låse det fulde potentiale i disse mærkelige materialer op.