I den mystiska världen av kvantmaterial beter sig inte alltid som vi förväntar oss. Dessa material har unika egenskaper som styrs av kvantmekanikens regler, vilket ofta innebär att de kan utföra uppgifter på ett sätt som traditionella material inte kan – som att leda elektricitet utan förlust – eller ha magnetiska egenskaper som kan visa sig användbara i avancerad teknologi.
Vissa kvantmaterial har små magnetiska vågor som kallas magnoner som rinner genom dem, som beter sig på förbryllande sätt. Att förstå magnoner hjälper oss att låsa upp hemligheter om hur magneter fungerar på mikroskopisk nivå, vilket är avgörande för nästa generations elektronik och datorer.
Forskare har studerat hur dessa magnoner agerar under starka magnetfält, och de trodde att de visste vad de kunde förvänta sig - fram till nu. I en ny studie i Nature Communications , har forskare under ledning av Henrik Rønnow och Frédéric Mila vid EPFL avslöjat ett nytt, oväntat beteende i kvantmaterialet strontiumkopparborat, SrCu2 (BO3 )2 . Studien utmanar vår nuvarande förståelse av kvantfysik men antyder också spännande möjligheter för framtida teknologier.
Men varför detta material? Detaljerna är ganska tekniska, men SrCu2 (BO3 )2 är viktig inom området kvantmaterial eftersom det är det enda kända verkliga exemplet på "Shastry-Sutherland-modellen", en teoretisk ram för att förstå strukturer där atomernas arrangemang och interaktioner hindrar dem från att sätta sig i ett enkelt, ordnat tillstånd .
Dessa strukturer är kända som "högt frustrerade gitter" och ger ofta kvantmaterialet komplexa, ovanliga beteenden och egenskaper. Så, den unika strukturen för SrCu2 (BO3 )2 gör den till en idealisk kandidat för att studera komplexa kvantfenomen och övergångar.
Neutronspridning och massiva magnetfält
Att studera magnonerna i SrCu2 (BO3 )2 , använde forskarna en teknik som kallas neutronspridning. I huvudsak sköt de neutroner mot materialet och mätte deras avböjningar från det. Neutronspridning är särskilt effektiv för att studera magnetiska material, eftersom neutroner, som är neutrala i laddning, kan dechiffrera magnetism utan att störas av laddningen av elektroner och kärnor i materialet.
Detta arbete utfördes vid högfältsneutronspridningsanläggningen vid Helmholtz-Zentrum Berlin, som kunde sondera fält upp till 25,9 Tesla, vilket gör detta till en oöverträffad nivå av magnetfältsstudier som gjorde det möjligt för forskarna att observera magnonernas beteende direkt.
De kombinerade sedan data med "cylinder matrix-product-states"-beräkningar, en kraftfull beräkningsmetod som hjälpte till att bekräfta experimentella observationer från neutronspridningen och förstå materialets tvådimensionella kvantbeteende.
Det unika tillvägagångssättet avslöjade något överraskande:istället för att bete sig som enstaka, oberoende enheter – som förväntat – parades materialets magnoner ihop och bildade "bundna tillstånd" – som att para ihop till dans istället för att gå solo.
Denna ovanliga parning leder till ett nytt, oväntat kvanttillstånd som har implikationer för materialets egenskaper:den "spinnematiska fasen." Tänk på det som magneter på ett kylskåp:normalt pekar de norrut eller söderut (det är snurrandet), men den här nya fasen handlar inte om riktningen som de pekar mot, utan snarare hur de är i linje med varandra, vilket skapar ett unikt mönster.
Denna upptäckt avslöjar ett beteende i magnetiska material som aldrig tidigare setts. Detta avslöjande av en dold regel inom kvantfysiken kan leda oss till nya sätt att använda magnetiska material för kvantteknologier som vi inte ens har tänkt på än.
Mer information: Ellen Fogh et al, Fältinducerad bunden tillståndskondensation och spinnematisk fas i SrCu2 (BO3 )2 avslöjas av neutronspridning upp till 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
