I modern fysik under det senaste århundradet, att förstå de elektroniska egenskaperna och interaktionerna mellan elektroner inuti materia har varit en stor utmaning. Elektroner är ansvariga för den kemiska länken mellan atomer och nästan alla faktorer som kännetecknar en materia, som färg, värmetransport, konduktivitet och magnetism. En elementär egenskap hos elektroner är snurrningen, och kombinationen av elektroniska snurr på atomnivå kan inducera ett magnetiskt moment på vissa atomer, som utgör materialet. Dessa ögonblick kan lägga till makroskopiska magnetiska krafter.

Eftersom magnetism är fotavtrycket för elektronernas interaktiva beteende, Att studera det på atomnivå informerar oss om det kollektiva elektroniska beteendet i atommiljön. Detta kan förklara makroskopiskt observerade elektroniska egenskaper, som konduktivitetens temperaturberoende.

På atomnivå, magnetjoner är tätt packade och påverkar därmed ömsesidigt varandra, vilket resulterar i antagandet av en gemensam magnetisk ordning för att minimera deras energibalans. En liten störning leder till en snurrvåg, varigenom en oscillation av ett magnetmoment runt dess centrala axel inducerar oscillerande störningar med en liten fasförskjutning på atomgrannarna. Spinnvågor observeras rutinmässigt i ordnade magnetiska material genom oelastisk neutronspridning (INS) på spektrometrar vid Institut Laue-Langevin (ILL).

Övergång från en klassisk till en kvantmagnetisk värld

Det magnetiska momentet kännetecknas av dess centrifugeringsnummer. Ju större centrifugering, desto mer lämpligt är det att jämföra atommagnetmomentet med en klassisk magnet. Att sänka centrifugeringen innebär att dess kvantegenskaper accentueras; utforska övergången till kvantvärlden, som är fundamentalt annorlunda än det dagliga, makroskopisk värld, är en av de mest spännande utmaningarna inom solid state -fysik.

Det mest citerade exemplet är snurr -1/2 moment placerade i hörnet av en lika lång triangel. På grund av dess kvantitet, ett snurr kan bara peka uppåt eller nedåt med avseende på sin lokala axel. Ett magnetiskt utbyte mellan spinnmomenten, som är antiferromagnetisk till sin natur, tvingar dem att anpassa antiparallell till varandra. Som en kvantmagnet inte kan beställa, snarare än att anta en grundstat, flera tillstånd är lika troliga (6 i triangelns fall), och snurren är i ett superpositionerat läge som pekar åt flera håll samtidigt.

Att kombinera lika långa trianglar leder till ett tvådimensionellt nätverk av snurr. Dess grundtillstånd, dvs. centrifugeringsarrangemanget med lägsta möjliga energikostnad, har utmanat teoretiker i decennier. År 1973, ädel pristagare P.W. Anderson föreslog ett så kallat 'kvantspinnvätskestatus, 'som är konceptuellt helt annorlunda än ordnade magnetfaser. Anderson hävdade att för ett triangulärt system, det är energiskt mer gynnsamt för spins att organisera sig i obligationer. I dessa valensbindningar, elektroner är kvantemekaniskt intrasslade, 'ett rent kvantmekaniskt tillstånd. En överlagring av ett mångfald bindningsmönster finns parallellt och bindningar fluktuerar på grund av en kvantmekanisk princip, som påför partiklarna nollpunktsrörelser. Detta tillstånd kallas ett Resonant Valence Bond (RVB) tillstånd.

Neutronspridning ger experimentellt bevis för RVB -tillståndet

Här på ILL, två kalla tre-axliga spektrometrar, IN14 och IN12, bidragit under decennier till upptäckten och upplösning av magnetiska korrelationer hos klassiska och icke-konventionella superledare, multiferroiska kristaller och ett brett spektrum av lågdimensionella, frustrerade och kvantmagnetiska system. Eftersom båda instrumenten dateras från 1980 -talet, de var i behov av en totalrenovering för att kunna fortsätta att bidra till de vetenskapliga framstegen inom dessa områden. Den nya IN12 -spektrometerens omplacering och renovering slutfördes 2012, och i slutet av 2014, IN14 -spektrometern ersattes av dess efterträdare, THALES.

THALES, Tre-axligt instrument för lågenergispektroskopi, är en nästa generations kallneutron tre-axlig spektrometer som bygger på styrkan hos sin föregångare, IN14, men använder toppmodern neutronoptik. ThALES -projektet är ett samarbete mellan ILL och Charles University, Prag, och finansieras av det tjeckiska ministeriet för vetenskap och utbildning.

Efter byte av IN14, ThALES blev den nya referensen för kall enkristallneutronspektroskopi vid en neutronkälla i steady state som ILL -reaktorn. ThALES har optimerats fullt ut för att ta itu med fysiken hos högkorrelerade elektronsystem och vetenskapliga problem inom kvantmagnetism. Dessutom, Spektrometerns flexibilitet har förbättrats genom implementering av olika optiska element.

De viktigaste målen för ThALES är:

• att öka den totala datainsamlingshastigheten genom att bygga om primärspektrometerns neutronoptik;
• att tillhandahålla ett polariserat neutronalternativ som är effektivt och lätt att använda;
• att utöka det infallande neutronområdet mot högre energier, och därmed överbrygga klyftan med termiska instrument;
• för att kunna använda högfältsmagneter utan begränsningar av det kinematiska området, dvs under alla potentiella experimentella förhållanden.

ThALES användes för att utföra INS -mätningar i en nyligen genomförd studie av ett samarbete mellan forskare, inklusive ILL:s Martin Boehm, nuvarande koordinator för det EU-finansierade neutronnätet SINE2020. Studien publicerad i Nature, med titeln 'Bevis för en spinon-Fermi-yta i en triangulär gitterkvant-spin-vätskekandidat, 'hävdade att den triangulära gallret antiferromagneten YbMgGaO4 har det länge eftersökta kvantspinnande flytande RVB-jordtillståndet. Denna studie var den första som använde neutronspridning som ett sätt att tillhandahålla experimentella bevis för RVB -tillståndet.

Den experimentella ansträngningen att upptäcka RVB -grundtillståndet har väsentligt ökat sedan P.W. Anderson föreslog att det kan förklara fenomenet supraledning i en materialklass som visar särskilt höga övergångstemperaturer mellan ett normalt ledande och supraledande tillstånd. Dock, att ge experimentella bevis för förekomsten av RVB -staten är mycket utmanande, för medan ett magnetiskt ordnat system har ett tydligt experimentellt svar, RVB -tillståndet kännetecknas av frånvaron av en mätbar kvantitet.

På grund av avsaknaden av en mätbar mängd, den experimentella metoden för denna studie, använder ThALES, valt indirekt experimentellt bevis genom att medvetet spänna marktillståndet med neutroner och mäta det dynamiska svaret. Enligt teoretiska förväntningar, den upphetsade spinnvätskan beter sig exotiskt, 'vilket betyder att det upphetsade tillståndet förklaras av spinoner med mycket ovanliga egenskaper. Spinons kan omorganisera fördelningen av valensbindningar och resa genom det triangulära planet med en minimal mängd energi.

I en spridningsprocess mellan neutronen och spinnvätskan, lagen om bevarande av total fart påför skapandet av två spin-1/2 spinoner i vätskan. Detta par spinoner reser i motsatta riktningar med en total mängd energi som motsvarar förlusten av neutronenergi i spridningsprocessen. Med hjälp av ThALES -spektrometern, det är möjligt att spåra spinonernas riktning och energier genom att mäta riktningen och energin för neutronen som skapade spinonparet. På det här sättet, denna studie spårade ett fullständigt dynamiskt landskap av spinnkvantvätskan i det triangulära planet, och jämförde mätningarna med teoretiska förutsägelser, vilket gav starka bevis för förekomsten av spinnvätskefasen i YbMgGaO4.

Denna forskning är viktig eftersom ett kvantspinnande vätskestatus är potentiellt relevant för tillämpningar av kvantinformation. Dessutom, experimentell identifiering av ett kvantspinnande flytande tillstånd bidrar starkt till vår förståelse av kvantämne.