Vid tillräckligt låga temperaturer, magnetiska system blir vanligtvis fasta kristaller. Ett känt fenomen genom vilket detta sker är ferromagnetism, inträffar när alla elementära moment eller snurr interagerar på atomär skala (d.v.s. den så kallade Heisenberg-interaktionen) och rikta in sig i en riktning. Ferromagnetism underbygger funktionen hos flera vardagliga föremål, inklusive kompasser, kylskåpsmagneter och hårddiskar.

I vissa fall, närliggande ögonblick och snurr kan anti-inrikta sig för att minimera parinteraktionsenergin. När ett gitter har en triangulär geometri, dock, denna parvisa minimering blir omöjlig, som ger upphov till ett fenomen som kallas "frustration." Frustration verkar vara ett unikt verktyg för att besegra paradigmen för klassisk magnetism och låta mer exotiska kvanttillstånd dyka upp.

Fysiker har genomfört studier som syftar till att bestämma grundtillståndet för frustrerade kvantmagneter i flera decennier nu, eftersom detta kan få viktiga konsekvenser för den kondenserade materiens fysik. Bygger på dessa tidigare studier, forskare vid Paris-Saclay University och andra institutioner i Frankrike har nyligen genomfört ett experiment som syftar till att avslöja grundtillståndet för arketypisk kvantkagome ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ .

"På ett triangulärt galler, snurr skulle klassiskt beställas i en vinkel på 120 grader, den bästa kompromissen i det frustrerande sammanhanget, "Philippe Mendels, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "På 1970-talet föreslog Phil Anderson ett alternativ till denna bästa kompromiss när kvanteffekter blir viktiga, som med halvsnurr, det så kallade resonerande valensbindningstillståndet. Närliggande snurr skulle fortfarande sättas ihop (gifta sig) i par och demonteras (skilsmässa) för att skapa par mellan nya partners, vilket leder till en typiskt fluktuerande parmontering."

Det ihållande fluktuerande grundtillståndet som Anderson teoretiserat är känt som "spin flytande" tillstånd, eftersom det liknar det tillstånd som observeras i vätskor. Detta är ett mycket intrasslat tillstånd med miljarder snurr, där individuella snurr förlorar sin identitet och smälter samman till ett makroskopiskt kollektivt tillstånd.

"Idén om spinnvätsketillstånd återupplivades av Anderson själv som ett frö till högtemperatursupraledning upptäckt på 1980-talet, Mendels förklarade. "På 90-talet, folk började ifrågasätta under vilka förhållanden detta RVB-tillstånd kan stabiliseras i antiferromagneter. Forskare upptäckte snart att kagomen, ett David stjärnformat galler som består av trianglar som delar hörn, kan vara den idealiska strukturen för att leta efter spinnvätskor, speciellt med kvantspinn 1/2, som är mest utsatta för fluktuationer."

Under de senaste decennierna, många studier fokuserade på två enkla forskningsfrågor:om det faktiskt är möjligt att stabilisera ett spinnvätsketillstånd på ett kagomegitter, och i så fall vilket det mest stabila grundtillståndet som kan uppnås är. Bevis tyder nu på att det är möjligt att uppnå ett spinnvätsketillstånd i kagomegitter, men vad det mest stabila tillstånd som kan uppnås är är fortfarande oklart.

"Medan på den experimentella sidan, kagome-material är knappa, en av dem, och fortfarande förmodligen det bästa exemplet hittills, ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ , syntetiserades först i mitten av 2000-talet och producerades i kristallin form först på 2010-talet, Mendels sa. "Detta fantastiska material gör det möjligt för kvantmagnetismgemenskapen att utmana teoretiska förutsägelser, och driver nu upp vår nuvarande förståelse av problemet."

I deras studie, som fanns med i Naturfysik , Mendels och hans kollegor undersökte de magnetiska egenskaperna hos kagomen ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ grundtillstånd. Deras slutmål var att upptäcka vilken klass av spinnvätskor detta material tillhör.

"Naturen är inte perfekt, och även om den troligen är den bästa prototypen för kagome antiferromagnet, ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ fortfarande lider av defekter, Mendels sa. "Zn och Cu är för lika för att stanna där de helst borde för att producera en perfekt spin-½ kagome antiferromagnet. Något Cu ²⁺ spins hittar verkligen ut ur kagome-gallret och skymmer undersökningarna, kräver standardexperiment som magnetiseringsspecifik värme."

I deras experiment, Mendels och hans kollegor använde kärnmagnetisk resonans (NMR), en teknik som möjliggör insamling av lokala observationer och som är grunden för magnetisk resonanstomografi (MRT), en av de mest använda metoderna för att upptäcka medicinska tillstånd. Via lågtemperatur-NMR, de kunde skilja mellan defekta och icke-defekta områden i materialet för att isolera de unika signaturerna för kagomesnurr. Denna procedur gjorde det slutligen möjligt för forskarna att peka ut specifika egenskaper och dynamik i ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ .

När man försöker skilja mellan olika klasser av spinnvätskor, vetenskapsmän måste först försöka förstå hur par av snurr går sönder på ett sätt som stämmer överens med bilden av Anderson i hans teorier. Detta innebär att avgöra om det finns ett gap mellan mark och exciterade tillstånd, vilket kan vara mer utmanande när man hanterar en superposition av kvanttillstånd. Den studie som genomfördes av Mendels och hans kollegor kan vara ett av de första stegen i denna riktning.

"Genom att studera den lokala känsligheten, svaret på ett magnetfält, och hur excitationerna uppstår när vi värmer provet från temperaturer nära absolut noll, vi visar tydligt att det inte finns någon lucka i excitationsenergispektrumet och diskuterar viss överensstämmelse med de senaste prediktiva teorierna om excitationerna, Mendels sa. "Oavsett vad slutsatsen blir, vi ger starka begränsningar för teorier och begränsar utbudet av möjliga modeller."

I deras senaste arbete, Mendels och hans kollegor samlade in värdefull ny insikt om kagomematerialens tillstånd och egenskaper. Övergripande, deras fynd tyder på att arketypisk kvantkagome ZnCu ₃ (ÅH) ₆ Cl ₂ har inget spinngap, som är i linje med numeriska beräkningar utförda av andra forskarlag. I framtiden, denna viktiga observation kan tjäna som grund för andra fysikstudier av kondenserad materia, i slutändan breddar den nuvarande förståelsen av frustrerade kvantmagneter.

"En av våra långsiktiga drömmar är att producera en mycket frustrerad, om inte kagome, kvantmaterial som kan dopas för att bli en metall, möta Andersons syn på en ny typ av supraledare, Mendels sa. "Omfattningen av detta arbete är ännu bredare, som topologi i kondenserad materia har blivit mycket populär efter 2016 års Nobelprisutdelning. Kagome-baserade metaller är mycket eftertraktade för sina topologiska egenskaper. Vårt arbete kan öppna nya vägar för forskning om nya koncept, men det kan också hjälpa till att tackla nya utmaningar inom grundläggande fysik och materialvetenskap."

© 2020 Science X Network