Oelastisk neutronspridningsdata från Pelican-instrument vid 1,5 K (a) och 4,0 K (b). Spingap är tydligt (nedre blå bandet) vid 1,5 K (a) . Kredit:Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO)
Nukleära tekniker vid ANSTO har hjälpt till att bekräfta ett kvantspinnfenomen, en Haldane-fas, i ett magnetiskt material, som har potential att användas som en mätmodell för kvantberäkning.
Även om det har funnits experimentella bevis på Haldane-fasen i andra typer av endimensionella antiferromagnetiska material, det tros vara det första beviset i ett klusterbaserat material.
"Neutronspektrumet från Pelican gav just de data som bekräftade att Haldane-tillståndet existerar i fedotovitt som föreslagits av våra andra mätningar och teoretiska studier. Neutrondata visade både spingap och dispersion, som är kännetecken för Haldane-staten, " sa huvudförfattaren A/Prof Masayoshi Fujihara vid Tokyo University of Science.
I en artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev som ett "redaktörsförslag", ett stort samarbete av forskare, ledd av fysiker från Japan, ANSTO instrumentforskare Drs Richard Mole, Dehong Yu och Shinichiro Yano från National Synchrotron Radiation Research Center i Taiwan (som driver det taiwanesiska instrumentet Sika vid ANSTO), delade experimentella bevis på Haldane-fasen i fedotovit.
Ramen för detta ovanliga tillstånd av materia förutspåddes av professor Duncan Haldane, som delade Nobelpriset i fysik för utvecklingen av de 'topologiska faserna av materia teorin' med David Thouless och Michael Kosterlitz 2016.
Kvasi endimensionella spinnsystem, såsom fedotovite K 2 Cu 3 O(SO 4 ) 3 , har ett ovanligt magnetiskt beteende vid mycket låg temperatur, där grundtillståndet är en endimensionell kedja i en triplettkonfiguration med S=1 spinn.
S=1 uppstår eftersom det finns ett jämnt antal S=1/2 på de magnetiska Cu2+-jonerna i ändarna av spinnkedjan, som Haldane förutspådde.
"Kvasi-endimensionella kedjor som fedotovit har inte ett enda spinn utan en grupp av spinn som bildar ett kluster. Ett kluster av atomer interagerar sedan svagt med det närliggande klustret av atomer, sa Mole.
Kristallstruktur av K 2 Cu 3 O(SO 4 ) 3 . Kredit:Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO)
Magnetisk koppling uppstår på grund av superutbytesinteraktioner mellan spinnklustren och liten antiferromagnetisk koppling inuti klustret.
"Det där gapade beteendet är observerbart i Pelican-spektrumet, som är mycket känslig för svaga magnetiska interaktioner, sa Mole.
Fedotoviten har ett unikt arrangemang av magnetiska joner och tvåstegs magnetiskt beteende.
Oelastisk neutronspridning på Pelican-tidsspektrometern fångade spinngapet vid 1,5 K med en magnitud på 0,6. meV som stänger vid 4,0 K. Mätningarna överensstämde med teoretiska förutsägelser.
"Vi pratar om mycket små mängder energi men gapet är verkligt, sa Yu.
"Haldane-tillståndet kommer att uppstå närhelst antalet tetraedriska i spinnklusterkedjan är jämnt men inte udda som förutspått av våra teoretiska beräkningar i denna artikel, sa Yano.
Kristallstrukturen för mineralet fedotovit bestämdes ursprungligen av ryska forskare på 1990-talet, Men det nuvarande arbetet använde en nyutvecklad syntetisk metod i Fujiahala-labbet vid Tokyo University of Science.
Det gjorde det möjligt att göra stora mängder prov med hög renhet, vilket var väsentligt för experimenten med neutronspridning.
Kristallstrukturen bestämdes genom röntgendiffraktion vid Photon Factory, High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) i Japan.
