Neutronspridning avslöjade spinkorrelationer av järntriklorid. En konstnärs skildring tolkar spridningen som ger bevis på ett vätsketillstånd med spiralform. Kredit:Jacquelyn DeMink/ORNL
Forskare vid Oak Ridge National Laboratory använde neutronspridning för att avgöra om ett specifikt material atomstruktur kunde vara värd för ett nytt tillstånd av materia som kallas en spiralspinnvätska. Genom att spåra små magnetiska ögonblick kända som "snurr" på bikakegittret av en järntrikloridmagnet i lager, hittade teamet det första 2D-systemet som var värd för en spiralspinnvätska.
Upptäckten ger en testbädd för framtida studier av fysikfenomen som kan driva nästa generations informationsteknik. Dessa inkluderar fraktoner, eller kollektiva kvantiserade vibrationer som kan visa sig lovande inom kvantberäkningar, och skyrmioner, eller nya magnetiska spinntexturer som kan främja datalagring med hög densitet.
"Material som är värd för spiralspinvätskor är särskilt spännande på grund av deras potential att användas för att generera kvantspinnvätskor, spinntexturer och fraktonexcitationer", säger ORNL:s Shang Gao, som ledde studien publicerad i Physical Review Letters .
En långvarig teori förutspådde att bikakegittret kan vara värd för en spiralspinningsvätska – en ny fas av materia där spinn bildar fluktuerande korkskruvsliknande strukturer.
Ändå, fram till den aktuella studien, hade experimentella bevis för denna fas i ett 2D-system saknats. Ett 2D-system består av ett skiktat kristallint material där interaktionerna är starkare i plan än i staplingsriktningen.
Gao identifierade järntriklorid som en lovande plattform för att testa teorin, som föreslogs för mer än ett decennium sedan. Han och medförfattaren Andrew Christianson från ORNL vände sig till Michael McGuire, även han från ORNL, som har arbetat mycket med att odla och studera 2D-material, och frågade om han skulle syntetisera och karakterisera ett prov av järntriklorid för neutrondiffraktionsmätningar. Liksom 2D-grafenskikt existerar i bulkgrafit som bikakegaller av rent kol, finns 2D-järnskikt i bulkjärntriklorid som 2D-bikakeskikt. "Tidigare rapporter antydde att detta intressanta bikakematerial kunde visa komplext magnetiskt beteende vid låga temperaturer," sa McGuire.
"Varje bikakeskikt av järn har kloratomer ovanför och under sig, vilket gör klor-järn-klorplattor," sa McGuire. "Kloratomerna på toppen av en platta interagerar mycket svagt med kloratomerna på botten av nästa platta genom van der Waals-bindning. Denna svaga bindning gör att material som detta lätt skalas isär i mycket tunna lager, ofta ner till en enda platta. . Detta är användbart för att utveckla enheter och förstå utvecklingen av kvantfysik från tre dimensioner till två dimensioner."
I kvantmaterial kan elektronspinn bete sig kollektivt och exotiskt. Om ett snurr rör sig reagerar alla – ett intrasslat tillstånd som Einstein kallar "spöklik action på avstånd". Systemet förblir i ett tillstånd av frustration – en vätska som bevarar oordning eftersom elektronsnurr hela tiden ändrar riktning, vilket tvingar andra intrasslade elektroner att fluktuera som svar.
De första neutrondiffraktionsstudierna av järnkloridkristaller utfördes vid ORNL för 60 år sedan. Idag möjliggör ORNL:s omfattande expertis inom materialsyntes, avbildning, neutronspridning, teori, simulering och beräkning banbrytande utforskningar av magnetiska kvantmaterial som driver utvecklingen av nästa generations teknologier för informationssäkerhet och lagring.
Kartläggning av spinnrörelser i spiralspinvätskan möjliggjordes av experter och verktyg vid Spallation Neutron Source och High Flux Isotope Reactor, DOE Office of Sciences användaranläggningar vid ORNL. ORNL-medförfattare var avgörande för framgången med neutronspridningsexperimenten:Clarina dela Cruz, som ledde experiment med HFIR:s POWDER-diffraktometer; Yaohua Liu, som ledde experiment med SNS:s CORELLI-spektrometer; Matthias Frontzek, som ledde experiment med HFIR:s WAND 2 diffraktometer; Matthew Stone, som ledde experiment med SNS:s SEQUOIA-spektrometer; och Douglas Abernathy, som ledde experiment med SNS:s ARCS-spektrometer.
"Neutronspridningsdata från våra mätningar vid SNS och HFIR gav övertygande bevis på en vätskefas i spiralform," sa Gao.
"Neutronspridningsexperimenten mätte hur neutronerna utbyter energi och rörelsemängd med provet, vilket gör att man kan sluta sig till de magnetiska egenskaperna", säger medförfattaren Matthew Stone. Han beskrev den magnetiska strukturen hos en spiralspinnvätska:"Det ser ut som en topografisk karta över en grupp berg med ett gäng ringar som går utåt. Om du skulle gå längs en ring skulle alla snurr peka i samma riktning. Men om du går utåt och korsar olika ringar kommer du att se de snurrarna börja rotera runt sina axlar. Det är spiralen."
"Vår studie visar att konceptet med en spiralspinningsvätska är genomförbart för den breda klassen av bikakegittermaterial", säger medförfattaren Andrew Christianson. "Det ger samhället en ny väg att utforska spinnstrukturer och nya excitationer, som fraktoner, som sedan kan användas i framtida tillämpningar, som kvantberäkning."
Titeln på tidningen är "Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice." + Utforska vidare
