Neutrony łączą 40-letnią tajemnicę kryjącą się za tajemniczym magnetyzmem jodku żelaza

Zaawansowane materiały o nowych właściwościach są zawsze opracowywane poprzez dodawanie kolejnych pozycji do listy składników. Jednak badania kwantowe wskazują, że niektóre z prostszych materiałów mogą rzeczywiście mieć zaawansowane właściwości, których naukowcy jeszcze nie widzą.

Naukowcy z Georgia Tech i University of Tennessee Knoxville odkryli ukryte i nieoczekiwane zachowanie kwantowe w dość prostym materiale zawierającym jodek żelaza (FeI).₂Został odkryty prawie sto lat temu. Nowe spojrzenie na zachowanie materiałów było możliwe dzięki połączeniu eksperymentów z rozpraszaniem neutronów i teoretycznych obliczeń fizycznych w Oak Ridge National Laboratory (DOE) (ORNL) w DOE.

Wyniki zespołu – opublikowane w czasopiśmie Fizyka przyrodyRozwiązuje 40-letnią zagadkę dotyczącą tajemniczego zachowania materii i może posłużyć jako mapa do odblokowania skarbnicy zjawisk kwantowych w innych materiałach.

„Nasze odkrycie było w dużej mierze spowodowane ciekawością” – powiedział Xiao Jianbai, pierwszy autor gazety. Bay uzyskał stopień doktora. W Georgia Tech i pracuje jako badacz podoktorancki w ORNL, gdzie wykorzystuje neutrony do badań Materiały magnetyczne. „Z tym materiałem zawierającym jodek żelaza natknąłem się w 2019 roku w ramach mojej pracy doktorskiej. Próbowałem znaleźć związki z trójkątnym układem sieci magnetycznej, które wykazują tak zwany„ sfrustrowany magnetyzm ”.

W zwykłych magnesach, takich jak magnesy na lodówkę, elektrony materiału są ułożone w linii, podobnie jak strzałki, które albo wskazują ten sam kierunek – w górę lub w dół – albo na przemian w górę iw dół. Kierunki wskazywane przez elektrony nazywane są „spinem”. Ale w bardziej złożonych materiałach, takich jak jodek żelaza, elektrony są ułożone w trójkątną sieć, w której siły magnetyczne interferują między trzema momentami magnetycznymi i nie są pewne, w którym kierunku skierować – stąd „udaremniony magnetyzm”.

„Czytając całą literaturę, zauważyłem ten związek, jodek żelaza, który został odkryty w 1929 roku i dość intensywnie badany w latach 70-tych i 80-tych” – powiedział Bay. „W tamtym czasie widzieli jakąś niekonwencjonalną cechę lub wzorce zachowań, ale tak naprawdę nie mieli środków, aby w pełni zrozumieć, dlaczego to widzieli. Więc dowiedzieliśmy się, że coś dziwnego i interesującego nie zostało rozwiązane, i porównując to z czterdziestoma latami temu dysponowaliśmy narzędziami. Dostępne są skuteczniejsze eksperymenty, więc zdecydowaliśmy się ponownie rozważyć tę kwestię i mamy nadzieję, że przedstawimy kilka nowych pomysłów ”.

Materiały kwantowe są często opisywane jako układy, które wykazują dziwne zachowanie i łamią klasyczne prawa fizyki – jak ciało stałe, które zachowuje się jak ciecz, z cząstkami poruszającymi się jak woda i odmawiającymi zamarznięcia lub zatrzymania ruchu nawet w ujemnych temperaturach. Zrozumienie, jak działają te dziwne zjawiska lub ich podstawowe mechanizmy, jest kluczem do rozwoju elektroniki i innych technologii nowej generacji.

Martin Moregal powiedział: „W materiałach kwantowych są dwie rzeczy o wielkim znaczeniu: fazy materii, takie jak ciecze, ciała stałe i gazy, oraz wzbudzenie tych faz, takich jak fale dźwiękowe. Podobnie, fale spinowe są wzbudzeniami magnetyczne ciało stałe ”- profesor fizyki w Georgia Institute for technology. Od dawna naszym poszukiwaniem w materiałach kwantowych było znalezienie dziwnych faz, ale pytanie, które zadawaliśmy sobie w tych badaniach, brzmi: „Faza sama w sobie może nie wydawać się dziwna, ale co, jeśli byłaby podekscytowana? „I właśnie to już znaleźliśmy”.

Neutrony są idealnymi czujnikami do badania magnetyzmu, ponieważ z kolei działają jak mikromagnesy i mogą być używane do interakcji z innymi cząstkami magnetycznymi i wzbudzania wzbudzenia bez naruszania atomowej struktury materii.

Bay zapoznał się z neutronami, gdy był absolwentem Mourigal w Georgia Tech. Mourigal przez kilka lat był częstym użytkownikiem rozpraszania neutronów w reaktorze izotopowym o wysokim strumieniu ORNL (HFIR) i źródle neutronów spalacyjnych (SNS), korzystając z obiektów użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii do badania szerokiej gamy materiałów kwantowych i ich różne i specyficzne zachowania.

Kiedy Bay i Morigal wystawili jodek żelaza na wiązkę neutronów, spodziewali się pewnego wzbudzenia lub zakresu energii związanego z momentem magnetycznym pojedynczego elektronu; Zamiast tego nie widzieli dwóch różnych fluktuacji kwantowych pojawiających się jednocześnie.

„Neutrony pozwoliły nam bardzo wyraźnie zobaczyć tę subtelną oscylację” – powiedział Bay. „Możemy zmierzyć całe spektrum wzbudzenia, ale nadal nie rozumiemy, dlaczego widzimy takie nienormalne zachowanie na pozornie klasycznym etapie”.

W celu uzyskania odpowiedzi zwrócili się do fizyka teoretycznego Christiana Batisty, profesora Lincolna na Uniwersytecie Tennessee-Knoxville i zastępcy dyrektora ORNL Scholl Wulan Center – wspólnego instytutu nauki o neutronach, który zapewnia badaczom wizytującym dodatkowe zasoby i wiedzę w zakresie rozpraszania neutronów.

Z pomocą Batisty i jego grupy zespół był w stanie opracować model matematyczny tajemniczego zachowania oscylacji kwantowej, a po wykonaniu dodatkowych eksperymentów neutronowych przy użyciu narzędzi CORELLI i SEQUOIA w SNS, byli w stanie określić mechanizm, który to spowodował. wydarzyć się. Przedstawia.

„To, co przewiduje teoria i co byliśmy w stanie potwierdzić za pomocą neutronów, to fakt, że ta dziwna fluktuacja występuje, gdy kierunek obrotu jest odwrócony między dwoma elektronami. Momenty magnetyczne – Przechyl w przeciwnych kierunkach – powiedział Batista. Kiedy neutrony oddziałują ze spinem elektronów, spiny obracają się synchronicznie wzdłuż określonego kierunku w przestrzeni. Ta choreografia wynikająca z rozpraszania neutronów tworzy falę spinową ”.

Wyjaśnił, że w różnych materiałach kursy elektroniczne mogą przyjmować różne kierunki i układy choreograficzne, tworząc różne typy Wirujące fale. W mechanice kwantowej pojęcie to znane jest jako „dualizm korpuskularno-falowy”, w którym nowe fale są uważane za nowe cząstki i zwykle są ukryte przed rozpraszaniem neutronów w normalnych warunkach.

„W pewnym sensie szukamy ciemnych cząstek” – dodał Batista. „Nie możemy ich zobaczyć, ale wiemy, że tam są, ponieważ możemy zobaczyć ich skutki lub interakcje, jakie mają z cząstkami, które widzimy”.

Bay powiedział: „W mechanice kwantowej nie ma rozróżnienia między falami a cząstkami. Rozumiemy zachowanie cząstki na podstawie jej długości fali i to właśnie pozwalają nam mierzyć neutrony”.

Moregal porównał sposób, w jaki neutrony wykrywają cząstki, do fal refrakcyjnych wokół skał na powierzchni oceanu.

„W stojącej wodzie nie możemy zobaczyć skał na dnie oceanu, dopóki fala nie przesunie się nad nimi” – powiedział Moregal. Jedynie tworząc jak najwięcej fal z neutronami, dzięki teorii Christiana Xiaojian był w stanie zidentyfikować skały lub w tym przypadku interakcje, które sprawiają, że subtelne fluktuacje są widoczne.

Wykorzystanie kwantowego zachowania magnetycznego doprowadziło już do postępu technologicznego, takiego jak maszyna do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i magnetyczny dysk twardy, który stymulował komputery osobiste. Bardziej egzotyczne materiały kwantowe mogą przyspieszyć następną falę technologii.

Oprócz Bai, Moregal i Batista, autorami artykułu są: Shang-Shun Zhang, Chilling Dunn, Hao Zhang, Cheng Huang, Haidong Zuo, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov i Feng Yi.

Od czasu ich odkrycia zespół wykorzystał te spostrzeżenia, aby opracować i przetestować prognozy w szerszym zestawie materiałów, które według nich dadzą najbardziej obiecujące wyniki.

„Wprowadzając więcej składników do substancji, zwiększamy również potencjalne problemy, takie jak bałagan i niejednorodność. Jeśli naprawdę chcemy zrozumieć i stworzyć czyste, oparte na materiałach systemy mechaniki kwantowej, powrót do tych prostych systemów może być ważniejszy niż my. myśli – powiedział Moregal.

„To rozwiązuje zagadkę 40-latki związaną z tajemniczą ekscytacją związaną z jodkiem żelaza” – powiedział Bai. „Dziś mamy tę zaletę, że robimy postęp na dużą skalę Neutron Obiekty takie jak SNS, które w zasadzie pozwalają nam badać pełną energię i pęd materii, aby zobaczyć, co się dzieje z tymi dziwnymi wzbudzeniami.

„Teraz, gdy rozumiemy, jak to osobliwe zachowanie działa w stosunkowo prostej materii, możemy sobie wyobrazić, co moglibyśmy znaleźć w bardziej złożonych materiałach. Stymulowaliśmy to nowe zrozumienie i miejmy nadzieję, że zachęci to społeczność naukową do zbadania większej liczby tego typu materiałów. co z pewnością doprowadzi do fizyki. Bardziej interesujące. ”