Kiinalaiset, ranskalaiset ja australialaiset tutkijat ovat löytäneet uusia todisteita eksoottisesta aineen kvanttitilasta, jota kutsutaan spin-superkiinteäksi aineeksi. Löytö, joka on tehty antiferromagneettisesta materiaalista, jossa on kolmionmuotoinen atomihilarakenne, edustaa läpimurtoa perusfysiikassa ja saattaa myös auttaa kehittämään uusia jäähdytystekniikoita, jotka eivät vaadi nestemäistä heliumia, koska materiaalilla on myös jättimäinen magnetokalorinen vaikutus.

Nimensä mukaisesti superkiinteät aineet ovat materiaaleja, jotka virtaavat ilman kitkaa (kuten superneste), vaikka niiden komponenttihiukkaset ovat kiteisessä hilassa (kuten kiinteässä aineessa). Sellaisenaan nämä materiaalit rikkovat kaksi jatkuvaa symmetriaa: translaatioinvarianssi, joka johtuu kidejärjestyksestä; ja mittarin symmetria materiaalin kitkattoman virtauksen ansiosta.

Teoreetikot ennustivat 1960-luvulla, että superkiinteitä aineita pitäisi esiintyä kvanttikuinteissa aineissa, joissa on niin sanottuja liikkuvia bosonisia tyhjiä paikkoja – eli aukkoja, jotka jäävät jäljelle, kun atomit, joilla on kokonaislukuarvot, liikkuvat kidehilan läpi. 1980-luvulta lähtien kokeellinen tutkimus keskittyi vihjeisiin siitä, että supernesteisessä helium-4:ssä saattaa esiintyä superkiinteyttä. Vuonna 2004 Yhdysvaltain Pennsylvania State Universityn fyysikot raportoivat todisteita tämän materiaalin superkiinteydestä. Kuitenkin lisätutkimukset samat tutkijat paljasti erehtyneensä, ja heidän havainnot voisivat olla selitetty muilla tavoilla.

Tuoreempia kokeiluja ovat osoittaneet, että yhteen suuntaan pidennetyt dipolaariset kvanttikaasut voivat käydä läpi faasisiirtymän tavallisesta Bose-Einstein-kondensaatista (BEC) tilaan, jolla on superkiinteitä ominaisuuksia. Dipolaaristen kaasujen atomeilla on suuret magneettiset momentit ja juuri niiden välinen vuorovaikutus aiheuttaa superkiinteyden näissä järjestelmissä.

Todisteiden kerrokset

Tutkijat johdolla Gang Su klo Kiinan tiedeakatemian yliopisto (CAS) Pekingissä sanotaan nyt löytäneensä superkiinteän aineen kvanttimagneettisen analogin äskettäin syntetisoidusta antiferromagneetista, jonka kemiallinen kaava on Na₂BaCo(PO₄)₂. Tällä yhdisteellä, joka tunnetaan nimellä NBCP, on myös jättiläismäinen magnetokalorinen vaikutus, mikä tarkoittaa, että se lämpenee ja jäähtyy dramaattisesti, kun ulkoinen magneettikenttä kohdistetaan ja poistetaan.

Su ja kollegat Wei Li että Teoreettisen fysiikan instituutti, CAS; Junsen Xiang ja Peijie Sun mistä Institute of Physics, CAS, Ja Wentao Jin at Beihangin yliopisto suorittivat magneettilämpömittauksensa alle 1 K:n lämpötiloissa. Heidän kokeellisten tietojensa ja superkiinteiden kvanttifaasisiirtymien teoreettisten laskelmien välinen erinomainen yhteensopivuus auttoi heidät vakuuttumaan siitä, että he havainnoivat uutta spin-superkiinteää ainetta.

Lisävahvistus saatiin mikroskooppisista todisteista, jotka he saivat suorittamalla neutronidiffraktiokokeita korkealaatuisilla NBCP-näytteillä Institut Laue-Langevin Ranskassa ja Australian ydintieteen ja teknologian järjestö. "Diffraktiohuiput paljastivat tasossa olevan kolmen alihilan järjestyksen, kiinteän järjestyksen ja epäyhtenäisyyden tason ulkopuolisessa suunnassa", Su sanoo. "Jälkimmäinen voi liittyä aukottomien Goldstone-moodien olemassaoloon (eräänlainen symmetrian murtuminen bosoneissa) ja siksi se tukee spin-superfluiditeetin olemassaoloa yhdisteessä."

Uusi kvanttitila ja uusi jäähdytysmekanismi

CAS-tiimi päätti tutkia NBCP:tä, koska siinä on voimakkaita matalaenergisiä spinvaihteluita, mikä viittaa mahdolliseen kvanttipyörityksen nestetilaan. Se on myös antiferromagneetti, mikä tarkoittaa, että toisin kuin tavanomaisissa ferromagneeteissa, joissa on rinnakkaiset elektronispinit, sen elektronispinit pyrkivät asettumaan vastakkain toisiinsa nähden. Tämä kohdistuksen esto johtaa voimakkaisiin vuorovaikutuksiin pyörien välillä.

Kun yksi ryhmän jäsenistä ehdotti, että NBCP:ssä voisi olla spin-superkiinteä aine, Li ja Gang kysyivät kokeellisia kollegojiltaan Xiangilta, Jiniltä ja Sunilta, olisiko yhdisteestä mahdollista etsiä uusia kvanttipyöritystiloja. "He tekivät ja havaitsivat aineen uuden kvanttitilan, spin-superkiinteän aineen", Li muistelee.

Sen lisäksi, että löytö paljastaa aineen uuden kvanttitilan, se voi myös johtaa uusiin heliumittomiin Kelvinin alapuolella oleviin jäähdytysmenetelmiin. Nämä ovat erittäin kysyttyjä muun muassa materiaalitieteessä, kvanttitekniikassa ja avaruussovelluksissa, Li kertoo Fysiikan maailma.

Supersoliditeetti astuu toiseen ulottuvuuteen

Li selittää, että tällä hetkellä on kaksi päätapaa jäähdyttää materiaaleja muutaman Kelvinin lämpötiloihin. Ensimmäinen on käyttää heliumia, joka muuttuu nesteeksi alle 4.15 K:n lämpötiloissa. Toinen on hyödyntää magneettilämpövaikutusta, jossa tietyt materiaalit muuttavat lämpötilaa käytetyn magneettikentän vaikutuksesta. Molemmilla näillä tekniikoilla on haittapuolensa: heliumia on vähän ja siksi kallista, kun taas magnetokaloriseen jäähdytykseen käytettyjen yhdisteiden erityisluokalla (tunnetaan hydratoituneina paramagneettisina suoloina) on alhainen magneettinen entropiatiheys, huono kemiallinen stabiilisuus ja alhainen lämmönjohtavuus. Li väittää kuitenkin, että äskettäin löydetyn spin-superkiinteän aineen jättiläismäinen magnetokalorinen vaikutus voisi "voittaa tehokkaasti nämä haitat" hyödyntämällä kollektiivisia spinherätteitä alhaisilla energioilla.

Etsi muita spin supersolideja

Tutkijat yrittävät nyt saada lisää dynaamisia todisteita spin superkiinteydestä NBCP:ssä. Tätä varten Jin sanoo suorittavansa joustamattomien neutronien sirontamittauksia tutkiakseen spin-supernesteen järjestykseen liittyviä Goldstonen tiloja. He aikovat myös suorittaa polarisoituja neutronidiffraktiokokeita vahvistaakseen edelleen havaintojaan.

Lopuksi ryhmä tutkii muita kolmion muotoisia hilayhdisteitä yrittääkseen tunnistaa lisää spin-superkiinteitä tiloja tai muita eksoottisia spin-tiloja. "Tekemällä näin toivomme ymmärtävämme paremmin taustalla olevia fyysisiä ilmiöitä, jotka synnyttävät nämä kiehtovat aineen kvanttivaiheet", Su sanoo.

Heidän nykyinen tutkimus on kuvattu yksityiskohtaisesti luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/