I marktillståndet är de magnetiska momenten antingen uppåt eller nedåt, spinnen antiparallellt med det externa magnetfältet (rött) är aldrig tillsammans (höger). Genom excitation, ytterligare snurr kan riktas antiparallellt och Bethe-kedjor bildas (vita snurr, vänster). Kredit:HZB
För nittio år sedan, fysikern Hans Bethe postulerade att ovanliga mönster, så kallade Bethe-strängar, förekommer i vissa magnetiska fasta ämnen. Nu, ett internationellt team har lyckats experimentellt upptäcka sådana Bethe-strängar för första gången. De använde neutronspridningsexperiment vid olika neutronanläggningar, inklusive den unika högfältsmagneten från BER II på HZB. Experimentdata stämmer utmärkt överens med Bethes teoretiska förutsägelse, och bevisa än en gång kvantfysikens kraft.
Det regelbundna arrangemanget av atomer i en kristall tillåter komplexa interaktioner som kan leda till nya materiatillstånd. Vissa kristaller har magnetiska interaktioner i endast en dimension, dvs. de är magnetiskt endimensionella. Om, dessutom, på varandra följande magnetiska moment pekar i motsatta riktningar, kristallen består av en endimensionell antiferromagnet. Hans Bethe beskrev första gången detta system teoretiskt 1931, även förutsäga närvaron av excitationer av strängar av två eller flera på varandra följande ögonblick som pekar i en riktning, så kallade Bethe-strängar.
Dock, dessa strängtillstånd kunde inte observeras under normala experimentella förhållanden eftersom de är instabila och skyms av de andra funktionerna i systemet. Knepet som används i detta dokument är att isolera strängarna genom att applicera ett magnetfält.
Nu, ett internationellt samarbete kring HZB-fysikern Bella Lake och hennes kollega Anup Bera kunde experimentellt identifiera och karakterisera Bethe-strängar i en riktig solid för första gången. Teamet gjorde kristaller av SrCo 2 V 2 O 8 , som är en modellsystem endimensionell antiferromagnet. Endast koboltatomerna har magnetiska moment, de är alla inriktade längs en riktning och angränsande ögonblick tar ut varandra.
Vid Berlins neutronkälla BER II, det var möjligt att undersöka provet med neutroner under extremt höga magnetfält upp till 25,9 Tesla. Från datan, fysikerna fick ett fasdiagram av provet som en funktion av magnetfältet, och även ytterligare information om de interna magnetiska mönstren, som kunde jämföras med idén om Bethe som kvantifierades av en teoretisk grupp ledd av Jianda Wu.
"Experimentdata stämmer utmärkt överens med teorin, " säger Prof. Bella Lake. "Vi kunde tydligt identifiera två och till och med tre kedjor av Bethe-strängar och bestämma deras energiberoende. Dessa resultat visar oss än en gång hur fantastiskt bra kvantfysik fungerar."
