Forskare från Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, Romain Sibille och Nicolas Gauthier, studerar ett fascinerande prov med neutroner vid Department of Energy's (DOE's) Spallation Neutron Source (SNS) vid Oak Ridge National Laboratory.

Deras mål är att skapa ett observerbart fall av quantum spin ice, ett bisarrt magnetiskt tillstånd som finns i en särskild klass av material som kan leda till framsteg inom kvantberäkningsteknik.

"Vi studerar mestadels oxider, som inkluderar sällsynta jordartsmagnetiska element, "sa Sibille." Just nu, vi studerar ett prov som är en kandidat för en magnetisk fas som, än så länge, har varit svårt att observera:kvantspinnis. Vi hoppas kunna hitta detta och visa det med de nya funktionerna här på SNS HYSPEC-instrument med hjälp av polarisering och superspegeln från PSI."

2015, HYSPEC, SNS beamline 14B, fick en ny vidvinkel polariserande supermirror-uppsättning byggd av forskare och ingenjörer på PSI. Den nya superspegeln gör det möjligt för användare att utföra tredimensionell polarisationsanalys av neutron excitationer.

Studier av frustrerad magnetism med neutronspridning fortsätter att växa mer populär bland forskare, forskarna säger, till stor del på grund av möjligheten att hitta dessa unika kvanttillstånd. Speciellt kvantspinnis ingår i en större klass av magnetiska faser, eller grundtillstånd, kallas "kvantspinnvätskor".

Spinnis är en magnetisk substans som inte uppvisar konventionell magnetism, som sett i traditionella stångmagneter med nord- och sydpoler där elektronerna ligger parallellt. Istället, materialets magnetiska ögonblick - eller "snurrar" - ordnas i oroliga eller "frustrerade" tillstånd och fluktuerar mellan olika konfigurationer, även under extremt kalla förhållanden när partiklar förväntas frysa på plats.

"De magnetiska stunderna går inte in i en fas där de alla är i en given riktning och stannar så, "förklarade Sibille." Istället systemet går in i en fas som är dynamisk och makroskopiskt urartad. Det betyder att det finns ett mycket stort antal olika lokala konfigurationer av de magnetiska momenten, och det antalet skalas med storleken på provet. Marktillståndet varierar mellan dessa konfigurationer och det anger inte en statisk långdistansorder. "

Studiet av kvantspinnvätskor är fortfarande i hög grad ett teoretiskt område eftersom verktygen som krävs för att observera dessa faser är begränsade.

"I grund och botten, vi är nästan begränsade till att använda neutroner för att försöka observera dem, "sa Sibille." Provet vi använder kommer också att kylas till 50 milliKelvin [ungefär -459 ° F] -extremt kallt. Det är, åtminstone för tillfället, nästan omöjligt att göra röntgenexperiment under dessa förhållanden."

"Med neutroner, du kan kartlägga den diffusa spridningen lättare än med röntgenstrålar, för, "tillade Gauthier." Men det som kallas "kvantspinnis" är när kvantfluktuationer tillåter spinniskonfigurationerna att tunnla sinsemellan, även vid noll temperatur. Detta leder till framväxten av exotiska excitationer som kan studeras med hjälp av neutroner. Det här är det som är mest intressant och vad folk söker intensivt efter för tillfället."

"Vi är mycket glada över att vara de första PSI -användarna av supermirroret, sa Sibille. Om det fungerar, Det är både ett mycket intressant vetenskapligt fall och en trevlig prestation för samarbetet mellan PSI och Oak Ridge. "

Teamets forskningsresultat publicerades i tidskriften Naturfysik .