Ein neuer Zustand der Materie: Quanten-Spin-Flüssigkeiten erklärt

181st Knowledge Seekers Workshop, Thursday, July 20, 2017 (Kann 2019).

Anonim

Magnetismus ist eine der ältesten anerkannten Materialeigenschaften. Seit der Antike sind Aufzeichnungen aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. Bekannt, in denen beschrieben wird, wie Magneteisen, ein natürlich vorkommendes magnetisiertes Eisenerz, in primitiven Magnetkompassen verwendet wurde. Heute verstehen wir dank der Theorie der Quantenmechanik auch die Natur des Magnetismus, wobei das Konzept des Spins das Verhalten von Elementarteilchen wie Elektronen im Material erklärt, die es magnetisch machen.

Spin, eine Eigenschaft von subatomaren Teilchen wie Elektronen und Quarks, lässt jedes einzelne Elektron sich so verhalten, als wäre es eine winzige magnetische Kompassnadel. Die Millionen oder Milliarden von Elektronenspins in einem Materialstück interagieren auf verschiedene Arten miteinander und stabilisieren sich, um die verschiedenen möglichen magnetischen Zustände zu bilden, die in fester Materie gefunden werden. Der Spin der Elektronen des Materials verleiht dem Material selbst die gleichen magnetischen Eigenschaften.

Magnetismus ist essentiell für die grundlegenden Merkmale der Moderne: Magnetische Materialien bilden die Grundlage moderner Elektronik und Informationsspeicherung. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler die Entdeckung von Materialien mit völlig neuen magnetischen Verhaltensweisen oder neuen Zuständen der Materie mit beispiellosen und möglicherweise nützlichen Eigenschaften verfolgt.

Eine davon ist die einer Quantenspinflüssigkeit, die der Physik-Nobelpreisträger PW Anderson Anfang der 1970er Jahre vorgeschlagen hatte. In einem in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Artikel hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Stephen Nagler am Oak Ridge National Laboratory in den USA die Quantenspin-Flüssigkeit des magnetischen Materials Rutheniumtrichlorid (α-RuCl & sub3;) nachgewiesen.

Wie entstehen Quantenspin-Flüssigkeiten?

Quantenspinflüssigkeiten werden häufig in einer Klasse von Materialien gefunden, die als frustrierte Magnete bekannt sind. In einem konventionellen Magneten führen die Wechselwirkungen zwischen den Spins zu stabilen Formationen, bekannt als ihre Fernordnung, in denen die magnetischen Richtungen jedes einzelnen Elektrons ausgerichtet sind.

In einem frustrierten Magneten verhindert die Anordnung von Elektronenspins, dass sie eine geordnete Ausrichtung bilden, und so kollabieren sie in einen fluktuierenden, flüssigkeitsähnlichen Zustand. In einer echten Quantenspinflüssigkeit sind die Elektronenspins niemals ausgerichtet und schwanken auch bei den niedrigsten Temperaturen des absoluten Nullpunkts, bei denen die Spins in anderen magnetischen Aggregatzuständen bereits eingefroren wären.

Die Bedingungen, die für die Bildung einer Quantenspin-Flüssigkeit erforderlich sind, finden sich häufig in der Natur. Das berühmteste Beispiel ist das Kupfermineral Herbertsmithite, für das es signifikante Beweise dafür gibt, dass ein flüssiger Quantum-Spin-Zustand innerhalb der frustrierten magnetischen Schichten von Kupferionen existiert, die seine Struktur ausmachen.

Wo finden wir Quantenspinflüssigkeiten?

Eine Herausforderung für Wissenschaftler besteht darin, die Bedingungen neu zu erstellen, die erforderlich sind, um Kandidaten-Quantenspinflüssigkeitsmaterialien im Labor synthetisch zu züchten, um ein vollständiges Verständnis ihrer Eigenschaften zu ermöglichen.

Der ausweichende Charakter von Quantum Spin Liquids macht es bekanntlich schwierig, ihre Existenz zu bestätigen und ihre genaue Natur zu bestimmen. Das Vorhandensein einer Quantenspinflüssigkeit kann aus einem Mangel an Ausrichtung von Elektronenspins abgeleitet werden, aber die endgültige Bestätigung ist schwierig: Abwesenheit von Beweisen ist kein Beweis für Abwesenheit, wie das Sprichwort sagt. Ein ausgefeilterer Ansatz besteht darin, die charakteristischen und einzigartigen Eigenschaften der Quantenspinflüssigkeit aufzudecken, um eine positive Bestätigung zu ermöglichen.

Deshalb ist Naglers Studie besonders bemerkenswert. In Experimenten mit Neutronenspektroskopie zeigte das Team, dass α-RuCl & sub3; etwas realisiert, das einem speziellen Aroma einer Quantenspinflüssigkeit, einer sogenannten Kitaev-Spinflüssigkeit, sehr nahe kommt. Eine Voraussetzung für diesen speziellen Quantenspin-Flüssigzustand ist, dass die Spins der magnetischen Rutheniumionen ein frustriertes Wabennetzwerk bilden: eine geschichtete, zweidimensionale hexagonale Struktur, ähnlich der von Kohlenstoffatomen in Graphit angenommenen.

In ihrem Experiment wurde ein Strahl von Neutronenpartikeln, der durch einen Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, von der α-RuCl & sub3; -Probe gestreut, wobei Energie zwischen den Neutronen und der Probe in dem Prozeß übertragen wurde. Dieser Energietransfer wurde durch eine Reihe von Detektoren quantifiziert, die die Probe umgeben, und die beobachtete Reaktion passt zu derjenigen, die durch die speziell für die Kitaev-Quantenspinflüssigkeit entwickelte Theorie beschrieben wurde.

Was können wir mit Quantenspinflüssigkeiten tun?

Wir erkennen jetzt, dass die Quantenspinflüssigkeit in verschiedenen Varianten mit subtil verschiedenen Eigenschaften kommt, aber dass sie alle die Fähigkeit besitzen, eigenartige quantenmechanische Phänomene zu unterstützen. Das ist aufregend und nicht nur aus einer rein wissenschaftlichen Perspektive: Diese Zustände könnten bei der Entwicklung von Quantencomputern und anderen transformativen Quantentechnologien verwendet werden, von denen wir erwarten, dass sie revolutionäre Veränderungen bei der Verarbeitung und Speicherung von Daten im 21. Jahrhundert bewirken.

Im Zeitalter des Quantencomputers werden wir Berechnungen durchführen können, die selbst auf den leistungsstärksten Supercomputern von heute nicht lösbar sind. Dies wird zu Durchbrüchen in einer Vielzahl von Bereichen führen, in denen wir einige der größten Herausforderungen unserer Zeit angehen, von der Entdeckung von Medikamenten bis hin zur Entwicklung intelligenterer Materialien für eine ganze Reihe von Anwendungen. Wenn wir mehr Kandidaten für flüssige Materialien im Quantenzustand entdecken und ihr Verhalten besser verstehen, werden wir immer exotischere Physik entschlüsseln und Wege finden, diesen neuartigen Zustand der Materie zu unserem Vorteil zu manipulieren und zu kontrollieren.

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