Avancerade material med mer nya egenskaper utvecklas nästan alltid genom att lägga till fler element i ingredienslistan. Men kvantforskning tyder på att vissa enklare material redan kan ha avancerade egenskaper som forskare helt enkelt inte kunde se, tills nu.

Forskare från Georgia Tech och University of Tennessee–Knoxville avslöjade dolt och oväntat kvantbeteende i ett ganska enkelt järnjodidmaterial (FeI ₂ ) som upptäcktes för nästan ett sekel sedan. De nya forskningsinsikterna om materialets beteende möjliggjordes med en kombination av neutronspridningsexperiment och teoretiska fysikberäkningar vid Department of Energys (DOEs) Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Teamets resultat – publicerade i tidskriften Naturfysik —löser ett 40-årigt pussel om materialets mystiska beteende och kan användas som en karta för att låsa upp en skattkammare av kvantfenomen i andra material.

"Vår upptäckt drevs till stor del av nyfikenhet, sa Xiaojian Bai, tidningens första författare. Bai tog sin doktorsexamen. vid Georgia Tech och arbetar som postdoktor vid ORNL, där han använder neutroner för att studera magnetiska material. "Jag stötte på det här järnjodidmaterialet 2019 som en del av mitt doktorsavhandlingsprojekt. Jag försökte hitta föreningar med ett magnetiskt triangulärt gitterarrangemang som uppvisar vad som kallas "frustrerad magnetism."

I vanliga magneter, som kylskåpsmagneter, materialets elektroner är ordnade i en linje som pilar som antingen pekar i samma riktning — uppåt eller nedåt — eller så växlar de mellan uppåt och nedåt. Riktningarna som elektronerna pekar kallas "snurr". Men i mer komplexa material som järnjodid, elektronerna är ordnade i ett triangulärt rutnät, varvid de magnetiska krafterna mellan de tre magnetiska momenten är i konflikt och är osäkra på vilken riktning de ska peka - därför, "frustrerad magnetism."

"När jag läste igenom all litteratur, Jag märkte denna förening, järnjodid, som upptäcktes 1929 och studerades något intensivt på 1970- och 80-talen, sade Bai. Vid den tiden, de såg någon egenhet, eller okonventionella beteenden, men de hade inte riktigt resurserna att helt förstå varför de såg det. Så, vi visste att det fanns något olöst som var konstigt och intressant, och jämfört med för fyrtio år sedan, vi har mycket kraftfullare experimentella verktyg tillgängliga, så vi bestämde oss för att återkomma till det här problemet och hoppades kunna ge några nya insikter."

Kvantmaterial beskrivs ofta som system som uppvisar exotiskt beteende och inte lyder klassiska fysiklagar - som ett fast material som beter sig som en vätska, med partiklar som rör sig som vatten och vägrar frysa eller stoppa sin rörelse även vid minusgrader. Förstå hur dessa exotiska fenomen fungerar, eller deras underliggande mekanismer, är nyckeln till att utveckla elektroniken och utveckla andra nästa generations teknologier.

"I kvantmaterial, två saker är av stort intresse:faser av materia som vätskor, fasta ämnen, och gaser, och excitationer av dessa faser, som ljudvågor. Liknande, spinnvågor är excitationer av ett magnetiskt fast material, sa Martin Mourigal, professor i fysik vid Georgia Tech. "Under en lång tid, vår strävan i kvantmaterial har varit att hitta exotiska faser, men frågan vi ställde oss själva i denna forskning är "Kanske är fasen i sig inte till synes exotisk, men tänk om dess excitationer är?' Och det är faktiskt vad vi hittade."

Neutroner är idealiska sonder för att studera magnetism eftersom de själva fungerar som mikroskopiska magneter och kan användas för att interagera med och excitera andra magnetiska partiklar utan att kompromissa med ett materials atomstruktur.

Bai introducerades för neutroner när han var doktorand vid Mourigal's vid Georgia Tech. Mourigal har varit en frekvent användare av neutronspridning vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR) och Spallation Neutron Source (SNS) i flera år, använder DOE Office of Sciences användarfaciliteter för att studera ett brett utbud av kvantmaterial och deras olika och bisarra beteenden.

När Bai och Mourigal exponerade järnjodidmaterialet för en stråle av neutroner, de förväntade sig att se en speciell excitation eller ett energiband associerat med ett magnetiskt moment från en enda elektron; men istället såg de inte en enda, men två olika kvantfluktuationer som emanerar samtidigt.

"Neutroner tillät oss att se denna dolda fluktuation mycket tydligt och vi kunde mäta hela dess excitationsspektrum, men vi förstod fortfarande inte varför vi såg ett sådant onormalt beteende i en till synes klassisk fas, sa Bai.

För svar, de vände sig till teoretisk fysiker Cristian Batista, Lincoln ordförande professor vid University of Tennessee–Knoxville, och biträdande chef för ORNL:s Shull Wollan Center – ett gemensamt institut för neutronvetenskap som förser gästforskare med ytterligare neutronspridningsresurser och expertis.

Med hjälp av Batista och hans grupp, teamet kunde matematiskt modellera beteendet hos den mystiska kvantfluktuationen och, efter att ha utfört ytterligare neutronexperiment med instrumenten CORELLI och SEQUOIA vid SNS, de kunde identifiera mekanismen som fick det att dyka upp.

"Vilken teori förutspådde och vad vi kunde bekräfta med neutroner, är att denna exotiska fluktuation inträffar när spinnriktningen mellan två elektroner vänds, och deras magnetiska moment lutar i motsatta riktningar, " sa Batista. "När neutroner interagerar med elektronernas spinn, snurrarna roterar synkront längs en viss riktning i rymden. Denna koreografi utlöst av neutronspridning skapar en spinnvåg."

Han förklarade att i olika material, elektroniska snurr kan anta många olika orienteringar och snurra koreografier som skapar olika typer av snurrvågor. Inom kvantmekaniken, detta koncept är känt som "våg-partikeldualitet, " där de nya vågorna betraktas som nya partiklar och är typiskt dolda för neutronspridning under normala förhållanden.

"På sätt och vis, vi letar efter mörka partiklar, " lade Batista till. "Vi kan inte se dem, men vi vet att de är där eftersom vi kan se deras effekter, eller interaktionerna de har med partiklarna som vi kan se."

"Inom kvantmekaniken, det finns ingen skillnad mellan vågor och partiklar. Vi förstår partikelns beteende baserat på våglängden, och det är vad neutroner tillåter oss att mäta, sa Bai.

Mourigal liknade hur neutroner upptäcker partiklar med vågor som bryter runt stenar på havets yta.

"I stilla vatten kan vi inte se stenarna på havets botten förrän en våg rör sig över den, " sade Mourigal. "Det var bara genom att skapa så många vågor som möjligt med neutroner som, genom Cristians teori, Xiaojian kunde identifiera stenarna, eller i det här fallet, de interaktioner som gör den dolda fluktuationen synlig.

Att utnyttja kvantmagnetiskt beteende har redan lett till tekniska framsteg som MRI-maskinen och magnetisk hårddisklagring som katalyserade personlig datoranvändning. Mer exotiska kvantmaterial kan påskynda nästa tekniska våg.

Förutom Bai, Mourigal, och Batista, tidningens författare inkluderar Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, och Feng Ye.

Sedan deras upptäckt, teamet har använt dessa insikter för att utveckla och testa förutsägelser till en bredare uppsättning material som de förväntar sig kommer att ge mer lovande resultat.

"När vi introducerar fler ingredienser i ett material, vi ökar också potentiella problem som störningar och heterogeniteter. Om vi ​​verkligen vill förstå och skapa rena kvantmekaniska system baserade på material, att gå tillbaka till dessa enkla system kan vara viktigare än vi trodde, sa Mourigal.

"Så det löser det 40-åriga pusslet med den mystiska excitationen i järnjodid, ", sa Bai. "Vi har fördelen idag i framstegen med storskaliga neutronanläggningar som SNS som tillåter oss att i princip undersöka hela energi- och momentumutrymmet i ett material för att se vad som händer med dessa exotiska excitationer.

"Nu när vi förstår hur detta exotiska beteende fungerar i ett relativt enkelt material, vi kan föreställa oss vad vi kan hitta i mer komplicerade. Denna nya förståelse har motiverat oss och förhoppningsvis kommer det att motivera forskarsamhället att undersöka fler av dessa typer av material, vilket säkerligen kommer att leda till mer intressant fysik."