Paige Kelley, en postdoktoral forskare med ett gemensamt utnämning vid University of Tennessee och Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), använder neutroner för att studera specifika kristallegenskaper som kan leda till förverkligandet av en kvantspinnvätska, ett nytt tillstånd av materia som kan ligga till grund för framtida kvantberäkningsteknik.

"I en kvantspinnvätska, snurrar kontinuerligt fluktuerar på grund av kvanteffekter och går aldrig in i ett statiskt ordnat arrangemang, i motsats till konventionella magneter, "Kelley sa." Dessa tillstånd kan vara värd för exotiska kvasipartiklar som kan detekteras genom oelastisk neutronspridning. "

Nyligen, hon och hennes team såg bevis på dessa kvasipartiklar i alfa-ruteniumtriklorid, när de spädde provet med en liten mängd iridium. Iridium, Kelley säger, undertrycker den inneboende långdistansmagnetiska ordningen i ren ruteniumtriklorid vilket gör det möjligt att studera spinnvätskans tillstånd.

Teamet genomförde mätningar av neutrondiffraktion vid låg temperatur med hjälp av Four-Circle Diffractometer-instrumentet, beamline HB-3A, och Fixed-Incident-Energy Triple-Axis Spectrometer (FIE-TAX), HB-1A, vid ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), en DOE Office of Science User Facility. De använde båda instrumenten för att studera kristallstrukturen, magnetiskt jordtillstånd, och magnetiska momentstorlekar i enstaka kristaller av iridium-substituerad ruteniumtriklorid.

"Jag förberedde enstaka kristaller där en liten mängd rutenium ersattes av icke-magnetiska iridiumjoner och använde Four Circle- och FIE-TAX-instrumenten för att avgöra hur detta påverkade den magnetiska ordningen i systemet, "Sa Kelley.

När en liten mängd iridium införlivas, hon förklarade, de fann att uppkomsten av det magnetiskt ordnade tillståndet inträffar vid en lägre temperatur än i ren ruteniumtriklorid, och lågtemperaturtillståndet visar en mindre ordnad momentstorlek. Båda egenskaperna är indikatorer på styrkan hos de konventionella magnetiska interaktionerna i systemet.

"Genom att tillsätta icke-magnetiskt iridium försvagar vi den långsiktiga ordningen som konkurrerar med kvantspinnets flytande grundtillstånd i ruteniumklorid, "sa hon." Undertryckandet av den magnetiska ordningen är definitivt ett steg i rätt riktning och öppnar möjligheten att förverkliga en kvantspinnvätska i detta material med tillräcklig iridiumkoncentration. "

Neutronspridning har visat sig vara optimalt för Kelley och hennes teams forskning på grund av hur neutroner beter sig inom magnetiska material.

"Eftersom neutroner själva har ett snurr, neutronspridning är mycket mer känslig för magnetiska ögonblick på grund av oparade elektroner i ett prov än andra tekniker som röntgenspridning, "Sa Kelley.

Innan du kommer till ORNL, Kelley studerade nanoteknik som forskare vid University of South Florida. Hon fortsätter att ge nya bidrag inom kondensmaterialets fysik och inom det växande området för kvantmaterial.

"Kvasipartikel excitationerna i en kvantspinnvätska kan manipuleras för att konstruera kvantbitar eller qubits, den grundläggande enheten för kvantberäkning, "Kelley sa." Denna forskning kan så småningom leda till stora framsteg inom detta område. "